结冰问题长期困扰人类生活与工业生产，生物启发的超疏水表面为无能耗防除冰提供了可能，但其有限的Cassie态稳定性制约了超疏水防除冰表面的实际应用。清华大学激光材料研究中心钟敏霖教授团队近期报道了一种双能垒高稳定性超疏水结构的激光制备方法。在原有Cassie状态过渡至Wenzel状态的单能垒基础上，通过双重复合微结构设计，人为地引入第二Cassie能垒，使其在热力学上呈现出双能垒的Cassie状态，极大地提高Cassie状态转变为Wenzel状态的壁垒与难度，并且通过复合纳米结构，进一步同时提高双能垒峰值，显著提升Cassie状态稳定性与防除冰性能，有望用于实际应用。该研究以“Dual-Energy-Barrier Stable Superhydrophobic Structures for Long Icing Delay”为题发表于《ACS Nano》上。

  结冰现象对交通、通信、能源等诸多领域提出了严峻的挑战，尤其对于高空飞行的飞机，数秒内机翼形成的毫米级厚度的粗糙冰便可使飞机最大升力系数损失约30 %，若不及时除冰，则会导致机毁人亡的惨剧。近年，因飞机机翼结冰而发生的空难时有发生，为保障飞行安全，目前广泛采用热力、气动等主动式防除冰方法来进行防冰与除冰。但该类方法通常存在能耗大、效率低等问题，并且难以应用于气象机、无人机等机型。因此，发展低能耗与无能耗被动防除冰新技术具有重要的理论与应用价值。

  受自然界荷叶不沾水现象的启发，超疏水表面被认为是最有望实现被动无能耗防除冰应用的技术之一。大量的研究表明，当超疏水表面上呈现Cassie状态时可以展现出极低的冰粘附强度、良好的延迟结冰时间以及液滴的动态弹跳。然而，在实际的防除冰应用中，超疏水表面受动态冲击、毛细冷凝、液体粘度增大、气囊收缩与溶解等各类因素的影响，极易从热力学Cassie亚稳态转变为Wenzel稳定态，不仅造成防除冰性能的失效，甚至由于冰与微纳结构之间的机械互锁效应，使冰粘附强度大幅度增大，导致更易结冰、更难除冰等危害。为提高Cassie态稳定性，避免转变为Wenzel状态，目前通常采用在微米结构的基础上引入纳米结构构建微纳复合多级体系的方法来提高表面Cassie态稳定性。然而受制备方法对微纳结构可控性差、分析手段有限等方面的限制，有关表面微纳结构与防除冰性能之间的内在机理，以及合理的高稳定性超疏水防除冰表面结构设计仍缺少系统的理论与实验研究，导致有限的Cassie状态稳定性在结冰过程中仍难以避免转变为Wenzel状态，限制了超疏水表面进一步的被动防除冰应用。

图2 双能垒超疏水结构热力学计算与优化

图3 双能垒超疏水结构耐久性测试

  链接地址：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02051