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 自然界中的蒸汽、露水、冰霜是人类最早发现的物质三态之间的变化。空气中的水汽会在低温表面上凝结成水并放出热量，当表面温度降低至冰点时，水会进一步凝结成冰。通过吸收汽、水相变过程中释放的热量，人类创造了许多科技产品来改善自己的生存环境，例如空调、热泵、除湿机。然而在寒冬中，这些设备的室外换热器常常因为结冰的问题而停止工作。科研人员一直试图找到一种可以在严寒中“不结冰”的表面。这种材料不但能够保障传热设备的连续运行，对于飞机、轮船、输电线缆，或是风力发电机等易受冰霜侵袭的设施也具有非常重要的意义。

     侯佑民博士和于淼博士是香港科技大学机械及航空航天工程学系姚舒怀教授研究团队的博士后研究员，一直致力于研究各种仿生界面材料在液体输运方面的应用。但是他们在这项研究中却遇到了一个极大的困难：在水的连续相变过程中，强化水汽的凝结放热与阻止液态水的结冰是相互矛盾的物理机制。

      “目前常见的防冰材料多是利用降低表面的传热系数来阻止空气中的水汽发生相变，”侯佑民说，“这种方法虽然可以减缓液态冷凝水转化成为固态冰，但是同时也影响了相变的第一阶段，蒸汽变成水的过程。如何在不降低水汽凝结能力的前提下，防止液态水结冰成为了困扰我们许久的问题。”

      这个貌似悖论的研究难题最近有了突破性的进展，研究团队成功发明了一种结合亲水与疏水材料特性的二元微纳米结构表面，在增强相变传热的同时，显著提高了传热面上的防结冰能力。他们的这一研究成果发表在上physical review letters上。

 

      研究团队发现，通过合理布局二元混合功能表面上的微纳米结构，亲水与超疏水特性可以在不同的空间尺度下发挥作用。由于二元混合结构润湿特性的不同，从空气中冷凝在该表面上的液滴的浸润形态会随着水滴半径的增长发生显著变化。这种浸润形态的改变又会导致液滴与固体表面之间单位面积的界面热阻不断增加。当冷凝液滴的尺寸处于微米尺度时（<10μm），亲水材料的润湿性呈现主导地位，使空气中的水汽能迅速凝结在低温功能表面上并释放出大量相变热，从而达到强化换热的效果。而当液滴逐渐生长到亚毫米尺度时（50~300μm），二元混合结构表面则开始表现出超疏水材料的非润湿特性。由于大液滴在二元结构上的非浸润形态，冷凝液滴与低温表面之间的传热速率迅速降低，从而避免了液滴进一步降温而结冰。同时，非浸润状态下的大液滴能够利用超疏水材料特有的融合-弹跳机制，自发地脱离低温传热面，进一步降低了液滴在低温界面上结冰的可能性。

      “这种表面材料的灵感来源于沙漠甲虫背部的二元结构，在此基础上又结合了模仿荷叶表面特征的超疏水性质，”于淼博士介绍到，“相比于单纯模仿荷叶的超疏水表面，二元结构表面不单可以防止水滴结冰，而且能够将相变换热的表面热流密度提高约40%，当超疏水表面结冰后，热流密度的差距会达到5倍甚至更多。”

 

      除此之外，这项工作在研究水汽三态相变的物理机制上也取得了显著进展。研究者们在实验过程中首次发现并且证明了凝结水滴在低温条件下结冰的临界半径。通过将分子核化理论与微纳尺度水滴传热模型相结合，研究团队确证了液滴结冰时的临界半径与低温表面结构，以及环境条件之间的物理关系。“这有别于传统在时间尺度上对于冷凝水滴结冰速度的粗略统计。液滴核化结冰的临界半径，能够使科学家与工程师们准确预估出不同表面结构上水汽冷凝、核化的动力学特性，”姚舒怀教授指出，“这对于进一步优化和研究不同工作环境下的防结冰表面结构具有非常积极的意义。”

近几年来，姚舒怀教授的研究团队在仿生界面上液体输运和能量转换等相关领域开展了一系列的研究（Advanced Functional Materials2011，21，4617，封面文章；ACS Nano，2015，9，71，封面文章；Nature Physics, 12, 606，2016；Int. J. Heat Mass Transf，2018，122，117.）相关的研究工作得到了香港大学教育资助委员会，香港创新科技署，广东省科学技术厅等机构的基金资助。