也許有一天，我們終於可以告別為冰櫃除霜或從濕滑的表面刮除冰霜的工作了。 美國西北大學的工程師們開發了一種新策略，可以在霜凍形成之前就加以預防。在一項新的研究中，研究人員發現，調整任何表面的紋理並添加一層薄薄的氧化石墨烯，可以在一周甚至更長的時間內100%地防止表面結霜。 這比目前最先進的防霜凍表面的防霜凍時間長1000 倍。

美國西北大學的工程師們創造出一種新型防霜凍表面，它結合了紋理圖案和一層薄薄的氧化石墨烯，可在一周多的時間內100%防止霜凍的形成，比目前的表面防霜凍時間長1000倍。 這種耐用、可擴展的設計可為各行各業節省數十億美元的維護和能源成本。

此外，新的可擴展表面設計還具有抗裂縫、抗刮痕和抗污染的特性。研究人員認為，將這種紋理表面應用到基礎設施中，公司和政府機構每年可節省數十億美元的維護成本和能源使用效率。

西北大學的Kyoo-Chul Kenneth Park領導了這項研究，這項研究最近發表在Science Advances雜誌上。

例如，2021 年德州的電力危機造成了1,950 億美元的損失，直接原因是霜凍、結冰和極寒條件持續了160 多個小時。 因此，開發能夠在極端環境條件下長時間保持穩定的防霜凍技術至關重要。 此外，還必須開發出易於製造和實施的防霜凍方法。 研究人員在設計混合防霜凍技術時考慮到了所有這些需求。 它可以在數週時間內防止結霜，而且可擴展、耐用，並可透過3D 列印輕鬆製造。

Park 是西北大學麥考密克工程學院機械工程助理教授，也是Paula M. Trienens 永續發展與能源研究所和國際奈米技術研究所的教員。

這項新研究建立在Park實驗室先前的工作基礎上。 2020 年，Park 和他的團隊發現，在表面上添加毫米級紋理理論上可以減少多達80% 的霜凍形成。 這項研究成果發表在《美國國家科學院院刊》上，靈感來自樹葉的波紋幾何形狀。

研究人員的靈感來自樹葉，因為樹葉凹陷的葉脈上不會結霜。 圖片來源：Stephen Herb

Park 說：” 在葉片的凸面區域會形成更多的霜凍。在凹面（葉脈）上，我們看到的霜要少得多。注意到這一點已經有幾千年的歷史了。值得注意的是，人們無法解釋這些圖案是如何形成的。

透過實驗工作和計算模擬，Park 和他的合作者發現，波浪形表面的波峰處凝結水增多，而波谷處凝結水減少。 山谷中的少量凝結水隨後蒸發，形成無霜區域。

在先前的研究中，Park 的團隊開發了一種表面，具有毫米的波峰和波谷，波峰和波谷之間的夾角很小。 在新的研究中，Park 團隊在平坦的谷地上添加了氧化石墨烯，從而使這些谷地的霜凍形成減少了100%。 新的表面由微小的凸起組成，凸起與凸起之間的距離為5 毫米。 然後，一層厚度僅為600 微米的氧化石墨烯薄層覆蓋在峰與峰之間的谷地上。

氧化石墨烯會吸引水蒸氣，然後將水分子限制在其結構中。因此，氧化石墨烯層就像一個容器，可以防止水蒸氣凍結。 將氧化石墨烯與宏觀結構表面結合後，它能在高過飽和度下長時間抗凍。 混合表面成為穩定、持久的無霜區”

與其他最先進的防霜凍表面相比，Park 的方法明顯勝出。 超疏水（拒水）表面和注入潤滑劑的表面在長達5 小時的時間裡能防止5% 至36% 的霜凍形成，而Park 的表面在160 小時的時間裡能100% 防止霜凍形成。

Park 說：”大多數其他防霜凍表面都容易受到刮痕或污染的破壞，隨著時間的推移降低表面性能。但我們的防霜凍機制對刮痕、裂縫和污染物具有很強的抵抗力，從而延長了表面的使用壽命。

這種混合宏觀紋理-氧化石墨烯表面為防止各種應用中的霜凍形成提供了一種前景廣闊的解決方案。 大多數人只會在汽車擋風玻璃上結霜或室外植物被凍死時才會擔心霜凍。 但霜凍不僅僅是一種困擾。

飛機機翼上的霜會產生阻力，使飛行變得危險甚至不可能。 冰霜積聚在冰櫃和冰箱內，會大幅降低電器的能源效率。 霜凍會增加電線的重量，導致電線斷裂，最終導致停電。 它還會損害車輛上的感測器，影響其準確探測物體的能力。

“開發新的防霜凍技術對於防止代價高昂的機械故障、能源效率低下以及關鍵操作的安全隱患至關重要，”Park 說。 “目前還沒有’放之四海而皆準’的方法，因為每種應用都有特定的需求。 例如，儘管飛機只需要幾秒鐘的抗凍性，但在寒冷環境中運行的電力線可能需要幾天或幾週的抗凍性。

編譯自/ ScitechDaily

DOI：10.1126/sciadv.adq8525