第一作者：賀志遠
通訊作者：賀曦敏，王健君，朱新遠
通訊單位：加州大學洛杉磯分校，中國科學院化學研究所，上海交通大學
研究亮點：
1. 受抗凍蛋白啟發設計了多功能防覆冰材料。
2. 通過疏水性和離子特異性調節界面水。
3. 實現了多功能集成的防冰性能。
防覆冰材料/技術面臨的問題
結冰是自然界中常見的相變過程，然而輸電設備、飛行器、船舶以及道路等表面上的結冰會影響設備的正常工作，在經濟、能源、環境等多方面造成巨大的損失。2008年初，中國南方地區遭受的冰雪災害，直接經濟損失達上千億元。自然界中，冰形成的主要步驟包括表面冰成核、冰傳遞，并最終粘附在表面上。在不同的氣溫和環境下形成的冰的形貌迥異，包括雨凇、霧凇、凍雨以及雪等，給防冰材料設計制備帶來了巨大的困難。現有的防冰材料主要著眼于某種定條件下的單一功能，并不利于普適性的防冰應用。
成果簡介
近日，加州大學洛杉磯分校賀曦敏課題組，與中科院化學所王健君課題組，上海交通大學朱新遠課題組合作，受抗凍蛋白的啟發設計了一種仿生多功能防覆冰水凝膠。將疏水的聚二甲基硅氧烷鏈接枝于親水的聚電解質網絡中，通過疏水性和離子特異性的協同作用來調節界面水的性質，使得此聚電解質水凝膠能夠首次實現同時調控覆冰過程的三大方面：(1)抑制冰的成核、(2)降低冰的傳遞，并(3)大幅度降低表面冰粘附力。
圖1. 受抗凍蛋白啟發設計的一種多功能防覆冰水凝膠。
要點1：離子特異性調節冰異相成核溫度
離子特異性能夠有效調控冰異相成核的行為，影響水分子結構由類液水向類冰水的轉變過程。冰成核的效率隨著類冰水的相對含量增加而提高。通過調節聚電解質凝膠中抗衡離子的種類和濃度可以調節界面水結構，進而可以抑制或促進冰成核。置換了PFO-（全氟辛酸鈉）離子的PG1凝膠冰異相成核溫度可低至?29.9oC，在?28oC的低溫下表面可保持4800s不結冰。
圖2. 調節抗衡離子抑制冰異相成核。
要點2：延緩冰傳遞速率
由于物體表面含有污染物、灰塵和表面缺陷，在實際應用中冰成核常常難以避免，并且不可控冰核會在防冰表面快速傳遞蔓延，最終導致整個表面覆冰。冰傳遞的速率定義為冰傳遞蔓延的面積與其所花時間的比值。通過降低冰傳遞的速率，來延緩冰在表面上的形成也是一種有效的防冰策略。由于水合表面上的冰傳遞行為受到界面水擴散速率的影響，通過調節疏水性和離子特異性可以有效調控表面冰傳遞速率。最終, 置換了PFO-離子的PG1水凝膠在-15oC下的冰傳遞速率可低至0.002cm2/s.
圖3. 疏水性和離子特異性協同延緩冰傳遞速率。
要點3：超低冰黏附
在極低溫環境條件下，材料表面上的覆冰不可避免。在這種情況下，低表面冰粘附強度可以保證冰能輕易從表面上被移除。受滑冰的啟發，利用界面水作為潤滑層大幅度降低冰粘附。未改性的水凝膠在低溫下凝膠內外的水全部結冰，不存在水潤滑層，此時冰黏附強度高達200kPa；而引入了PDMS側鏈后，由于疏水鏈段的加入有助于界面水保持未凍結狀態，PG1-PG3等材料的冰黏附強度均大大下降，最低可低于20kPa。
圖4. 水潤滑層極大降低冰黏附強度。
要點4：低溫環境下的防冰綜合性能測試
此種水凝膠可涂覆于不同的基材上，例如銅、鋁、不銹鋼、陶瓷、玻璃、聚乙烯等材料。在-25oC的低溫環境下，這些材料表面的結冰時間大大延緩，表面的冰粘附強度也極大降低，表面覆冰可被微風迅速除去。
圖5. 實際防冰應用。
小結
作者通過協同調節聚電解質水凝膠中的疏水性和離子特異性，調控冰異相成核、冰傳遞的行為，并大幅降低其表面的冰粘附強度，從而實現了多元調控抑制及延緩冰在表面上的形成。如果采取雙網絡水凝膠、無機/水凝膠復合等策略可以進一步增強其機械強度，實現到功能集成的防冰水凝膠在防覆冰領域中的應用。
參考文獻
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DOI: 10.1016/j.matt.2019.12.017
https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.12.017
團隊簡介
UCLA賀曦敏團隊致力于研發仿生多功能水凝膠，推動其在環境、能源、機器人等領域的應用。近期成果包括：
“人工向日葵“全角度向光，助力能量捕獲
https://m.weibo.cn/status/If7h2rfUX?from=singlemessage&jumpfrom=weibocom
Artificial Phototropism for Omnidirectional Tracking and Harvesting of Light, Nature Nanotechnology 2019, 14, 1048–1055
光致振蕩水凝膠及其游泳機器人
Soft Phototactic Swimmer Based on Self-sustained Hydrogel Oscillator, Science Robotics2019, 4, eaax7112
水凝膠化學/生物傳感器:
Bioinspired Hydrogel Interferometer for Adaptive Coloration and Chemical Sensing,Advanced Materials2018, 30, 46, 1804916
Hydrogel Interferometry for Ultrasensitive and HighlySelective Chemical Detection.
Advanced Materials 2018, 30, 21, 1800468
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Hydrocipher: Bioinspired Dynamic Structural Color-based Cryptographic Surface
Advanced Optical Materials,2019,201901259
四維打印解密生物生長中的形態演化
Visualizing Morphogenesis through Instability Formation in 4-D Printing, ACS AppliedMaterials & Interfaces 2019 DOI: 10.1021/acsami.9b19730
