在嚴(yán)寒和高海拔地區(qū),，積雪問題正逐漸成為制約能源與智能設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵因素。光伏面板被積雪覆蓋后,，發(fā)電效率驟降,；風(fēng)力葉片上的雪層擾亂空氣動力性能,；橋梁纜索因積雪凍融反復(fù)帶來疲勞損傷；無人機(jī),、高速列車等設(shè)備的攝像頭,、雷達(dá)一旦覆雪，更是可能導(dǎo)致系統(tǒng)直接失效,。 雖然近年來涌現(xiàn)出大量超疏水,、自潤滑、光熱防冰等界面材料,，但這些設(shè)計多以“防冰”為核心,，缺乏對“防雪”機(jī)制的系統(tǒng)研究。很多研究表明,，許多防冰材料在濕雪條件下非但無法減少粘附,，反而造成雪層“卡死”在表面，難以自然滑落,。這背后,，根源在于冰與雪在界面粘附上的本質(zhì)差異。雪是由冰粒,、水與空氣混合物,，其與固體的界面行為更為復(fù)雜。因此,，開展防雪材料研究,，能為戶外設(shè)備在嚴(yán)寒條件下的穩(wěn)定運(yùn)行提供更實用的解決方案。

近日,，西北工業(yè)大學(xué)苑偉政教授,、何洋教授團(tuán)隊在《Advanced Materials》期刊發(fā)表研究成果“A Bioinspired Micro-Grooved Structure for Low Snow Adhesion and Effective Snow-Shedding”,，揭示了雪在界面上的粘附行為，提出一種仿秦嶺箭竹葉片的微溝槽結(jié)構(gòu),，有效削弱了范德華力和毛細(xì)力,，實現(xiàn)了積雪的低粘附與自脫落。這項工作突破了防雪=防冰的傳統(tǒng)思路,，為惡劣天氣下的能源系統(tǒng),、橋梁設(shè)施提供了新型防護(hù)策略。

1.干雪與濕雪

不同于結(jié)構(gòu)致密的冰層,，雪是由冰粒,、液態(tài)水和空氣混合構(gòu)成的多相物質(zhì)。尤其在0℃附近的濕雪狀態(tài),，其界面會因液橋效應(yīng)產(chǎn)生很強(qiáng)的毛細(xì)吸附,，粘附力遠(yuǎn)高于干雪。研究團(tuán)隊通過調(diào)節(jié)雪中水含量（LWC）研究干濕雪的界面粘附變化,。實驗發(fā)現(xiàn)：干雪狀態(tài)下,，各類工程材料表面的粘附力普遍低于100 Pa，差異不大,；而在濕雪狀態(tài)下,，粘附力迅速上升，鋁,、PTFE等常用材料在LWC大于16%時雪粘附強(qiáng)度均顯著增大,，部分樣品的濕雪粘附強(qiáng)度是干雪的10倍以上。這一現(xiàn)象凸顯了雪固界面行為的復(fù)雜性,，并展示了防雪研究的迫切需求,。

圖1. 雪的性質(zhì)以及秦嶺箭竹葉的低雪粘附特性。

2.從秦嶺箭竹葉啟發(fā)：仿生微溝槽結(jié)構(gòu)

在自然界中,，秦嶺箭竹能在風(fēng)雪中長時間保持葉面無雪覆蓋,，團(tuán)隊通過顯微觀察發(fā)現(xiàn)其表面具備規(guī)則的微溝槽結(jié)構(gòu)。研究人員利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S130,，精度：2 μm）制備了一系列間距與高度不同的仿生微溝槽樣品,，考察了其對雪固粘附行為的影響。研究結(jié)果顯示,，結(jié)構(gòu)高度低于30 μm時幾乎無效,；而當(dāng)高度提升至100 μm以上，粘附力急劇下降,，可達(dá)30 Pa,，約為光滑表面的十分之一。此外,，結(jié)構(gòu)的寬高比（S/H）成為決定粘附強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)——越窄,、越深的溝槽結(jié)構(gòu),，其“真實接觸面積”越小，對范德華力與毛細(xì)力的抑制越顯著,。更重要的是,，V型溝槽還能起到“導(dǎo)水+儲水”功能。當(dāng)雪中自由水滲入界面后,，其優(yōu)先包覆雪粒,、而非潤濕固體表面，隨后在重力作用下回落到V型槽底,，有效實現(xiàn)了固液界面的物理分離,，進(jìn)一步削弱毛細(xì)作用。

圖2. 雪固粘附行為,。

3.雪固脫粘附行為：機(jī)械互鎖作用

研究還發(fā)現(xiàn),，很多超疏水表面雖然粘附力很低，但濕雪卻很難自然脫落,。原因在于表面粗糙結(jié)構(gòu)與雪粒之間發(fā)生“機(jī)械互鎖”,，阻礙了積雪滑動，導(dǎo)致雪層在傾斜表面也無法自發(fā)下滑,。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雪粒直徑與表面粗糙度特征尺寸相匹配時,，機(jī)械互鎖作用強(qiáng)烈,。通過估算，即便只有5%的粗糙峰與雪粒發(fā)生互鎖,，其產(chǎn)生的阻礙強(qiáng)度也可能高達(dá)23.7 kPa,。 相比之下，仿生微溝槽結(jié)構(gòu)因其周期性“光滑路徑”設(shè)計,，能有效避免互鎖現(xiàn)象,。實驗中，在45°傾角下,，微溝槽表面能實現(xiàn)3分鐘內(nèi)積雪自然脫落,，而超疏水結(jié)構(gòu)很難依靠積雪自重脫落。同時,，在兼顧防冰需求方面,，研究團(tuán)隊進(jìn)一步在溝槽內(nèi)部沉積超疏水納米粒子，構(gòu)建出“MG@SHS”雙功能結(jié)構(gòu),。該復(fù)合結(jié)構(gòu)在保持微溝槽良好脫雪能力的同時,，提升了其在多輪凍融循環(huán)下的抗冰粘附性能。該策略有望應(yīng)用于光伏板表面,、軌道交通設(shè)備等在復(fù)雜氣候下運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)施,。

圖3. 雪固脫粘附行為,。

4.總結(jié)

本研究系統(tǒng)區(qū)分了“雪”與“冰”在粘附機(jī)制上的差異，提出了基于“范德華力+毛細(xì)力+機(jī)械互鎖”的雪固界面粘附-脫粘附行為機(jī)制,，構(gòu)建了一種集防冰,、防雪和防水功能于一體的多功能設(shè)計，為解決復(fù)雜氣候下設(shè)備表面附雪問題提供了理論基礎(chǔ)與實踐方案,。