清华新闻网8月21日电 超疏水表面在防冰领域展现出显著潜力，但在低温、高湿及动态冲击条件下难以维持Cassie-Baxter态的问题，严重限制了其实际应用。清华大学材料学院激光材料加工研究中心钟敏霖、范培迅团队近期开发了一种金属倒角超疏液结构，通过微米级T型柱阵列与密集的纳米线构建多级倒角结构，实现传统纳米效应与倒角效应的协同强化。这种金属倒角结构兼具稳健的Cassie-Baxter状态与增强的防冰性能，显示出巨大的应用潜力。
倒角结构被认为是超疏水表面研究中的一个里程碑进展。凭借独特的悬垂几何特征，倒角结构能够产生较高的拉普拉斯压力，从而显著增强界面稳定性以及抵抗液体渗透的能力。这种独特的优势推动结构设计从单一倒角向多级倒角（如双重/三重倒角、分支倒角以及多种虽非严格设计但具有凹入曲率特征的新型构型）演化。与传统超疏水表面依赖减小固液接触面积的策略不同，倒角结构通过悬垂设计不仅提升了Cassie-Baxter态稳定性，更借由增加固相占比显著强化了耐久性。然而，当前研究集中于倒角结构在室温下的基础拒液性和液滴操控行为，其在防冰方面是否仍优于非倒角结构，尤其是低温环境中Cassie-Baxter态维持能力与冰粘附特性尚未揭示。此外，在金属等工程材料表面原位制备一体化倒角结构目前仍缺少有效的技术方案，限制了对于倒角结构的深入研究及其实际应用。设计制备金属表面倒角结构，并系统评估其防冰性能，对于实现工程材料表面的稳健防冰具有重要指导意义。
为此，研究团队设计了金属表面独特的倒角结构并开发了在金属表面直接制备倒角结构的新方法。该设计具有独特的功能互补体系：微米T型结构提供基础超疏液特性和耐压性；表面生长的纳米结构作为次级能量势垒，通过多尺度效应进一步提升综合性能；微米结构同时作为生长纳米结构的机械框架，为纳米结构提供保护。对微纳米结构进行协同设计，可以获得性能最优的结构参数。
图1.倒角结构研究的技术路线简图
图2.材料学院所设计制备的倒角结构增强的疏冰性与抗冰钉性能
研究团队对基于上述原则设计制备的倒角结构的防冰性能进行了全面系统评估，证明了其在低温下具有优异的Cassie态稳定性和防冰性能：不仅具有高达1665Pa的临界拉普拉斯压力，而且展现出迄今为止最长的延迟结冰时间、超低冰粘附强度以及非凡的疏冰耐久性。液滴在-17℃和70%相对湿度的条件下保持不结冰超过600分钟，直至完全蒸发。初始冰粘附强度低至1.6kPa，并在长达100次的除冰循环后＜25kPa。此外，在结融化循环实验中该倒角结构能够发生从Wenzel态到Cassie态的自发去湿转变。为了揭示其增强防冰性能的作用机制，团队通过原位观测结冰过程的三相界面运动及能量分析，证明了其表面的液滴优先固定在微结构盖子的下角处，该行为协同提升了热力学能量势垒与结构阻力，从而确保了更高的Cassie态稳定性和更好的抗冰钉性能。该研究工作不仅验证了倒角结构在低温下的有效性，更通过结构设计与制备工艺的创新，为构建高稳定性的防冰表面建立了新思路。
图3.清华材料学院所设计制备的倒角结构的全面性能评估及维持有效防冰性能的临界条件
相关研究成果以“稳健防冰的倒角超疏液金属结构”（Re-entrant Super-Repellent Metallic Structures for Robust Anti-Icing）为题，于8月19日在线发表于《先进科学》（Advanced Science）。
该工作由清华大学材料学院钟敏霖团队独立完成。清华大学材料学院2022级博士生李代洲为论文第一作者，材料学院教授钟敏霖和助理研究员范培迅为论文通讯作者。论文作者所在单位为清华大学材料学院激光材料加工研究中心、先进成形制造教育部重点实验室和清华大学（材料学院）-航空工业气动研究院先进材料与防除冰技术联合研究中心。
研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、清华大学自主科研计划项目和防除冰技术联合研究中心项目的支持。
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