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  低溫環境中，隨處可見結冰現象經常會伴隨著嚴重的災害及隱患。比如，飛機上的結冰容易引發嚴重飛行事故；電纜的嚴重結冰將會引起坍塌而導致電力系統故障。傳統上一般采用主動方式，如用化學劑，加熱，機械等方法進行除冰來避免結冰對人類生產生活造成不良影響。但是傳統方法具有需要重復操作，耗能，對環境不友好等缺點。為此，亟需開發新一代除冰材料。

  由于凝膠具有出色的降低冰粘附力，抑制冰晶，及限制冰晶擴散的能力，近年來在防冰領域受到廣泛的關注。然而由于其在防冰領域的研究處于起始階段，它們的穩定性，耐久性等方面仍然有待提高。為了促進防冰凝膠的發展，增強對防冰凝膠的理解，挪威科技大學納米力學實驗室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）張志良教授和何健英教授結合課題組內十年來在防冰領域的理解及凝膠材料的發展趨勢，對目前的防冰凝膠進行了綜述，文章發表于國際著名期刊《Materials Horizons》 。

從結冰到防冰策略

  文章首先對結冰過程進行分析，從而總結目前的防冰策略，包括防止水在結冰前的黏附，抑制冰晶形成，控制冰生長，限制冰晶擴散和降低冰粘附力，如圖1。

圖1 從結冰到防冰策略

防冰凝膠

  凝膠是一種含有交聯高分子網絡及液體相的固體材料，由于高分子及液體相的多樣性，凝膠可以實現多功能性并運用于眾多領域，如隱形眼鏡，組織工程，傳感器，生物黏附，電子器件等。其多功能性同樣能在防冰領域起作用，實現所有防冰性（防止水在結冰前的黏附，抑制冰晶形成，控制冰生長，限制冰晶擴散和降低冰粘附力）。圖2中展示了除冰有機凝膠，疏水有機凝膠具有低的模量，在應力條件下能與所黏附的冰體在界面處產生應變不匹配，從而促進冰的剝離；過量的液體相也能作為潤滑液，降低冰及水的黏附。而傳統防凍液與高分子交聯網絡形成的親水有機凝膠能夠抑制冰晶的形成，能在冰與凝膠界面形成水層，從而降低粘附力。

圖2 防冰有機凝膠

  圖3展示了部分防冰水凝膠和離子凝膠。水凝膠的防冰性可以通過添加化學劑及高分子網絡改性獲得。添加無機鹽及傳統防凍液都可以實現冰點的降低，使得水凝膠能夠在零下溫度保持柔軟性，添加劑能夠擴散到冰與凝膠界面，從而溶解冰，形成水層作為潤滑劑，降低粘附力。通過對抗凍蛋白的仿生，對水凝膠中的高分子網絡進行修飾，可以同時獲得抑制冰晶形成，限制冰晶擴散和降低冰粘附力的能力。
離子凝膠最近剛開始被用于防冰，離子液體在水中出色的防止結冰能力得到了很好的發揮。由于出色的降冰點能力，液滴在離子凝膠表面的生長甚至會被改變，而產生由外而內的生長，促進所形成冰的剝離，且之間的液體層發揮潤滑作用進一步大大降低了冰粘附力。

圖3 防冰水凝膠及離子凝膠

  文章對防冰凝膠進行了展望。雖然目前防冰凝膠已取得出色的成果，但是其耐用性及穩定性有待提高。其機械耐用性需要進一步提高，可通過增強凝膠韌性，增強凝膠涂層與表面的粘合力來實現。另外，凝膠高分子網絡對水狀態的影響研究尚不明確，為發展防冰凝膠，有必要對其進一步深入探究。凝膠的多功能性或許能在防冰上大放異彩，如何運用凝膠材料的智能性，如溫敏，光敏，電敏性，輔助防冰，仍有很大的研究空間（圖4）。

圖4 展望

  挪威科技大學納米力學實驗室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）由張志良教授于2006年成立，聚焦于納米力學及界面力學的應用基礎研究。該課題組的防冰研究始于2011年，經過十年來的發展，已在世界范圍內取得了較高的知名度，并于2019年舉辦了首屆國際防冰材料研討會，目前該課題組在防冰領域已與石油，電力等工業界建立了緊密的聯系。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1MH00910A