挪威科技大学张志良/何健英《Mater.Horiz.》：凝胶，一种新型防冰材料！

2021-08-31 15:57:16 作者：高分子科学前沿来源：高分子科学前沿分享至：

低温环境中，随处可见结冰现象经常会伴随着严重的灾害及隐患。比如，飞机上的结冰容易引发严重飞行事故；电缆的严重结冰将会引起坍塌而导致电力系统故障。传统上一般采用主动方式，如用化学剂，加热，机械等方法进行除冰来避免结冰对人类生产生活造成不良影响。但是传统方法具有需要重复操作，耗能，对环境不友好等缺点。为此，亟需开发新一代除冰材料。

由于凝胶具有出色的降低冰粘附力，抑制冰晶，及限制冰晶扩散的能力，近年来在防冰领域受到广泛的关注。然而由于其在防冰领域的研究处于起始阶段，它们的稳定性，耐久性等方面仍然有待提高。为了促进防冰凝胶的发展，增强对防冰凝胶的理解，挪威科技大学纳米力学实验室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）张志良教授和何健英教授结合课题组内十年来在防冰领域的理解及凝胶材料的发展趋势，对目前的防冰凝胶进行了综述，文章发表于国际著名期刊《Materials Horizons》。

从结冰到防冰策略

文章首先对结冰过程进行分析，从而总结目前的防冰策略，包括防止水在结冰前的黏附，抑制冰晶形成，控制冰生长，限制冰晶扩散和降低冰粘附力，如图1。

图1 从结冰到防冰策略

防冰凝胶

凝胶是一种含有交联高分子网络及液体相的固体材料，由于高分子及液体相的多样性，凝胶可以实现多功能性并运用于众多领域，如隐形眼镜，组织工程，传感器，生物黏附，电子器件等。其多功能性同样能在防冰领域起作用，实现所有防冰性（防止水在结冰前的黏附，抑制冰晶形成，控制冰生长，限制冰晶扩散和降低冰粘附力）。图2中展示了除冰有机凝胶，疏水有机凝胶具有低的模量，在应力条件下能与所黏附的冰体在界面处产生应变不匹配，从而促进冰的剥离；过量的液体相也能作为润滑液，降低冰及水的黏附。而传统防冻液与高分子交联网络形成的亲水有机凝胶能够抑制冰晶的形成，能在冰与凝胶界面形成水层，从而降低粘附力。

图2 防冰有机凝胶

图3展示了部分防冰水凝胶和离子凝胶。水凝胶的防冰性可以通过添加化学剂及高分子网络改性获得。添加无机盐及传统防冻液都可以实现冰点的降低，使得水凝胶能够在零下温度保持柔软性，添加剂能够扩散到冰与凝胶界面，从而溶解冰，形成水层作为润滑剂，降低粘附力。通过对抗冻蛋白的仿生，对水凝胶中的高分子网络进行修饰，可以同时获得抑制冰晶形成，限制冰晶扩散和降低冰粘附力的能力。

离子凝胶最近刚开始被用于防冰，离子液体在水中出色的防止结冰能力得到了很好的发挥。由于出色的降冰点能力，液滴在离子凝胶表面的生长甚至会被改变，而产生由外而内的生长，促进所形成冰的剥离，且之间的液体层发挥润滑作用进一步大大降低了冰粘附力。

图3 防冰水凝胶及离子凝胶

展望：文章对防冰凝胶进行了展望。虽然目前防冰凝胶已取得出色的成果，但是其耐用性及稳定性有待提高。其机械耐用性需要进一步提高，可通过增强凝胶韧性，增强凝胶涂层与表面的粘合力来实现。另外，凝胶高分子网络对水状态的影响研究尚不明确，为发展防冰凝胶，有必要对其进一步深入探究。凝胶的多功能性或许能在防冰上大放异彩，如何运用凝胶材料的智能性，如温敏，光敏，电敏性，辅助防冰，仍有很大的研究空间（图4）。

图4 展望

挪威科技大学纳米力学实验室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）由张志良教授于2006年成立，聚焦于纳米力学及界面力学的应用基础研究。该课题组的防冰研究始于2011年，经过十年来的发展，已在世界范围内取得了较高的知名度，并于2019年举办了首届国际防冰材料研讨会，目前该课题组在防冰领域已与石油，电力等工业界建立了紧密的联系。

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