模仿人类皮肤的神奇除冰表面：开启高效除冰新时代

研究背景

冰在物体表面的积聚受范德华力、静电力和氢键等作用，附着力强，给交通、电力等众多领域的除冰工作带来极大困难。传统硬结构表面冰附着力大，超疏水和液体注入表面等现有减冰粘附策略存在结构脆弱、液体介质易流失等问题。引入软层虽可降低冰粘附，但低模量表面易产生粘滑运动，增加除冰能耗且限制其应用 。开发在实际条件下可靠的含裂纹源的耐用除冰材料，成为该领域的重大挑战。

研究成果

基于断裂的界面破坏在高效去除积冰方面展现出了潜力。在此，受人类皮肤对应力诱导变形的响应启发，电子科技大学邓旭教授团队提出了一种设计坚韧皮肤式除冰表面（TSDSs）的策略，该策略在除冰过程中能主动控制裂纹引发的冰与基底间的界面破坏。这种设计利用薄膜的表面不稳定性，在冰 - 基底界面产生大量褶皱，这些褶皱可作为裂纹起始位点。我们通过在两个长度尺度上制造褶皱来实现高效除冰：宏观褶皱用于主动在冰的边缘引发裂纹，微观褶皱则进一步促进冰 - 基底界面的应力集中。TSDS（冰附着力 τ<10 kPa）表现出优异的耐久性和耐候性，仅依靠重力就能实现大面积的冰自脱落效果。所提出机制的通用性在多种材料和潜在应用中得到了验证。这一设计理念为开发具有增强除冰性能的耐用除冰材料提供了宝贵的思路。相关研究以“A skin-inspired durable de-icing surface with boosting interfacial cracks”为题发表在National Science Review期刊上。 

研究亮点

1. 受人类皮肤结构和变形响应启发，构建由薄硬顶层薄膜和软基底组成的 TSDS，利用两者模量失配引发表面不稳定性，在冰-基底界面产生褶皱，作为裂纹起始位点，有效降低冰附着力至 < 10kPa 。

2. 发现表面褶皱在冰-基底界面能削弱粘附力，且双尺度（宏观和微观）褶皱具有协同效应。微观褶皱与模量失配的宏观结构协同，可显著降低冰粘附力，微褶皱 TSDS 在多种结冰条件下表现出色，且经多次循环测试和恶劣环境测试后仍保持良好性能 。

3. 该设计策略在多种材料上均有效，如 PVDF、PE、PP 等，制备的微褶皱 TSDS 在模拟风力涡轮机上，能使冰在较低离心速度下自动脱落，在重力作用下也可实现自脱落，展现出在实际除冰场景中的巨大应用潜力。

图文导读

Figure 1. Design strategy of the TSDS.

Figure 2. Mechanism of wrinkle generation on the TSDS and impact on ice-adhesion strength.

Figure 3. Optimization of designing micro-wrinkled TSDSs. 

Figure 4. Applicability and application of micro-wrinkled TSDSs. 

总结与展望

在本研究中，作者提出了一种通过在冰-固界面上/内产生双尺度裂纹来设计除冰表面的策略。利用表面不稳定性引起的微皱纹，设计出的微皱纹 TSDS 具有优异的除冰性能。根据设计原理，验证了这种设计策略的普遍适用性及其在不同环境下的有效性。通过一系列环境测试证明，保护性表皮大大增强了 TSDS 的坚固性。预计，这种设计的表面有望在除冰领域，特别是复杂恶劣的结冰环境中发挥广泛的作用。

文献链接

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf005