也许有一天，人们终于可以告别为冰柜除霜或从湿滑的表面刮除冰霜的工作了。美国西北大学的工程师们开发出了一种新策略，可以在结霜之前就防止其形成。
在一项新的研究中，研究人员发现，调整任何表面的质地并添加一层薄薄的氧化石墨烯，就能在一周甚至更长的时间内100%地防止表面结霜。这比目前最先进的防霜冻表面要长 1000 倍。
此外，新的可扩展表面设计还能防止裂缝、划痕和污染。
研究人员认为，通过在基础设施中采用这种纹理表面，公司和政府机构每年可以节省数十亿美元，从而避免维护成本和能源效率低下的问题。
该研究成果将于本周三（10 月 30 日）发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。
这项研究的负责人西北大学的 Kyoo-Chul Kenneth Park 说：”不必要的霜冻积聚是工业、住宅和政府部门的一个主要问题，例如，2021 年德克萨斯州的电力危机造成了 1950 亿美元的损失，直接原因是霜冻、结冰和极寒条件持续了 160 多个小时。因此，开发能够在极端环境条件下长时间保持稳定的防霜冻技术至关重要。此外，还必须开发出易于制造和实施的防霜冻方法。我们在设计混合防霜冻技术时考虑到了所有这些需求。它可以在数周的时间内防止结霜，并且具有可扩展性，经久耐用，易于通过 3D 打印制造。
Park 是西北大学麦考密克工程学院机械工程助理教授，也是 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所和国际纳米技术研究所的教员。
叶子启发的发现
这项新研究建立在 Park 实验室之前的工作基础之上。2020 年，Park 和他的团队发现，在表面上添加毫米级纹理，理论上可减少 80% 的霜冻形成。这项研究成果发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上，其灵感来源于树叶波纹的几何形状。
图片：研究人员的灵感来自树叶，因为树叶凹陷的叶脉上不会结霜。
Park当时说：”在树叶的凸面区域会形成更多的霜冻。”在凹面区域（叶脉），我们看到的霜要少得多。几千年来，人们一直注意到这一点。值得注意的是，人们无法解释这些图案是如何形成的。我们发现，控制这种现象的是几何形状，而不是材料。
通过实验工作和计算模拟，Park 和他的合作者发现，波浪形表面的波峰处冷凝现象增强，而波谷处则受到抑制。山谷中的少量凝结水随后蒸发，形成无霜区。
氧化石墨烯的捕集能力
在之前的研究中，Park 的团队开发了一种具有毫米级波峰和波谷的表面，波峰和波谷之间的夹角很小。在新的研究中，Park 团队在平坦的山谷上添加了氧化石墨烯，从而使这些山谷中霜冻的形成减少了 100%。新的表面由微小的凸起组成，峰与峰之间的距离为 5 毫米。然后，在峰与峰之间的山谷中涂上一层薄薄的氧化石墨烯，厚度仅为 600 微米。
Park 说：”氧化石墨烯会吸引水蒸气，然后将水分子限制在其结构中。”因此，氧化石墨烯层就像一个容器，防止水蒸气冻结。当我们将氧化石墨烯与宏纹理表面相结合时，它能在高过饱和度下长时间抗冻。混合表面成为稳定、持久的无霜区”。
与其他最先进的防霜冻表面相比，Park 的方法明显胜出。超疏水（拒水）表面和注入润滑剂的表面最多可在 5 小时内防止 5% 至 36% 的霜冻形成，而 Park 的表面可在 160 小时内 100% 防止霜冻形成。
Park 说：”大多数其他防霜冻表面都容易受到划痕或污染的破坏，从而随着时间的推移降低表面性能。”但我们的防霜冻机制对划痕、裂缝和污染物具有很强的抵抗力，从而延长了表面的使用寿命”。
为何重要
这种混合宏观纹理-氧化石墨烯表面为防止各种应用中的霜冻形成提供了一种前景广阔的解决方案。大多数人只有在汽车挡风玻璃结霜或室外植物枯萎时才会担心霜冻。但霜冻不仅仅是一种困扰。
飞机机翼上的霜会产生阻力，使飞行变得危险甚至不可能。当霜积聚在冰柜和冰箱内时，会大大降低电器的能效。霜冻会增加电线的重量，导致电线断裂，最终导致停电。 它还会损坏车辆上的传感器，损害其准确探测物体的能力。
“开发新的防霜冻技术对于防止代价高昂的机械故障、能源效率低下和关键操作的安全隐患至关重要，”Park 说。”目前还没有’放之四海而皆准’的方法，因为每种应用都有特定的需求。例如，虽然飞机只需要几秒钟的抗冻性，但在寒冷环境中运行的电力线可能需要几天或几周的抗冻性。利用我们的新见解，我们可以设计出减少冰附着力的输电线和飞机机翼。这类改造将大大降低每年的维护成本”。
这项名为 “Robust hybrid diffusion control for long-term scalable frost prevention”的研究（DOI: 10.1126/sciadv.adq8525）得到了美国国家科学基金会（资助编号：CBET-2337118）和韩国科学技术院（资助编号：2E32527）的部分支持。
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