過(guò)度積冰會(huì)對(duì)各種基礎(chǔ)設(shè)施能造成致命性破壞，傳統(tǒng)的除冰方法如電加熱或者使用除冰劑不僅耗能而且會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重要危害。為此，近年來(lái)，各種具有低冰黏附力（小于100 kPa）的涂層被開(kāi)發(fā)出來(lái)。然而在某些功能性基礎(chǔ)設(shè)施中，比如太陽(yáng)能面板、玻璃窗、傳感器的表面不僅需要低冰黏附力，而且需要高的光透明性。積冰將會(huì)阻隔光線的射入這些表面從而導(dǎo)致相應(yīng)設(shè)施的失效。為了持續(xù)保護(hù)這些基礎(chǔ)設(shè)施，涂層又必須具有一定的機(jī)械耐用性，而自愈合是實(shí)現(xiàn)機(jī)械耐用性的一個(gè)有效的方法。為滿足這些要求，近日，挪威科技大學(xué)納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml））基于分子設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)模擬（圖1），開(kāi)發(fā)出了具有快速自愈合、高透明度和可回收性的疏冰涂層。該文章以“Ultrafast self-healing and highly transparent coating with mechanically durable icephobicity “為題發(fā)表于Applied Materials Today （https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100542）。

圖1快速自愈合透明疏冰涂層的分子設(shè)計(jì)及自愈合機(jī)制
 

研究表明不僅是分子鏈的柔性，氫鍵位點(diǎn)的濃度同樣對(duì)所制備彈性體的自愈合速率有著重要的影響。氫鍵位點(diǎn)濃度越高，容易形成氫鍵從而限制了分子鏈的移動(dòng)，進(jìn)而降低愈合速率，但同時(shí)能夠增加斷裂處形成新的氫鍵的概率，反而能增加愈合處的強(qiáng)度。該研究通過(guò)優(yōu)化分子鏈和氫鍵濃度，制備出了具有超快速的自愈合能力彈性體，能夠在室溫下，45min之內(nèi)恢復(fù)80%以上的拉伸強(qiáng)度（圖2）。實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了快速自愈合原理。通過(guò)XPS表征，研究者發(fā)現(xiàn)斷裂表面的自由氫鍵位點(diǎn)才是決定愈合速率的關(guān)鍵，具有濃度較高的自由氫鍵位點(diǎn)的樣品能夠獲得最高的自愈合速率（圖3）。

圖2所制備彈性體的快速自愈合能力。

 
圖3XPS揭示了快速自愈合原理。
 

 
由于采用柔性很高且疏水的聚二甲基硅烷（PDMS）作為鏈段，所制備彈性體具有較低的彈性模量和較高的水接觸角（圖4a-c）。當(dāng)加載切應(yīng)力于涂層表面的冰時(shí)（圖4d），低模量的涂層和高模量的冰之間就會(huì)形成應(yīng)變不匹配，從而在界面處產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而促進(jìn)冰的剝離。由于低模量和疏水性，涂層具有較低的冰黏附力（38.3?±?0.5?kPa）。更重要的是，涂層的快速自愈合能力使其獲得出色的機(jī)械耐用性：在20次結(jié)冰/除冰循環(huán)后，甚至是在切割愈合后，涂層依然能夠保持在50 kPa左右的冰黏附力。涂層還展現(xiàn)出了超高的透明度（圖5a，b）和可回收性（圖5c）。

圖4所制備涂層的潤(rùn)濕性及疏冰性
 

圖5所制備涂層的潤(rùn)濕性及疏冰性