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覆冰是冬季的一種常見自然現象，會導致 電力、能源、交通等工程領域面臨嚴重結/覆冰難題。在高寒及強風沙地區的結/覆冰現象更加嚴重，如高速鐵路機車測速雷達及轉向架一旦覆冰，運行安全性會大大降低。目前材料防結冰主要有兩種方法：構筑超疏水表面和添加特殊材料。通過在粗糙表面上涂覆低表面能材料獲得的超疏水表面，由于好的防水性能和低的表面能，可以使水液滴有效去除，因此廣泛應用于防結冰領域。但由于溫度降低導致的吸附和冷凝以及結冰除冰，超疏水表面會失去其超疏水性能。因此在防結冰應用中仍面臨很大挑戰。常用涂層已經不能滿足高寒、強風沙等低溫惡劣環境下的使用要求, 如何應對并減少表面覆冰已成為目前面臨的嚴峻挑戰。下文介紹休斯頓大學 Ghasemi 教授的科研轉化成果--下一代防結冰涂料技術，堪稱lab to market 的典范，值得國內科研人員學習。

休斯頓大學

在美國，冰雪天氣每年造成數十億美元的損失，包括與航空旅行、基礎設施、發電和輸電設施有關的延誤和破壞。冰能夠頑固堅韌的附著在涂層上，因此尋找有效的、耐用的和環境穩定的防結冰材料有一定的困難。防冰表面在包括基礎設施、交通和能源在內的廣泛系統中起著至關重要的作用。在寒冷的氣候下，積冰可能導致代價高昂的事件：電線倒塌，危及人們的生命，航空系統故障，機場延誤，以及海洋和無人駕駛飛行器的功能喪失。目前許多系統依靠人工主動除冰技術，大多數防結冰涂料不足以滿足各行業的高要求。

防結冰涂層示意圖（圖片來源于休斯頓大學官網）

休斯頓大學的研究人員報告了一種新的物理理論，叫做應力定位，他們用它來調整和預測新材料的特性。研究人員在“材料地平線”雜志上報道，基于這些預測，他們已經發明了一種耐久的有機硅聚合物涂層，能夠抵御任何表面的冰。他們寫道：“我們開發了一種新的物理概念和相應的防結冰材料，這種材料在長期的機械、化學和環境耐久性方面表現出極低的結冰附著力。”

 Hadi Ghasemi  （圖片來源于休斯頓大學官網）

卡倫工程學院機械工程助理教授Hadi Ghasemi, Bill D. Cook  為這項工作的負責人，他說這些發現提出了一種方法，來規避尋找新材料各種嘗試和錯誤，從而推動材料科學向以物理驅動為方法的方向轉變。他說：“你把你想要的材料性能，這個理論方法將會告訴你，你需要合成什么樣的材料。”他指出，這個概念也可以用來預測具有極好的抗菌或具有其他理想性能的材料。此前曾報道Ghasemi開發過幾種新的抗寒材料，但他表示，與現存其他材料一樣，這些材料目前無法完全克服冰附著在表面的問題，以及機械和環境耐久性問題。他說，相反的，使用應力定位的新理論可以使新材料得以避免上述缺陷。

2017年休斯敦大學的Hadi Ghasemi教授在其實驗室技術基礎上成立了SurfEllent公司，專注于防結冰涂料的開發和應用。SurfEllent公司的專利涂料在許多不同的行業都很有用，目前正在不斷探索新的合作伙伴關系和產品開發機會。SurfEllent的被動涂層系統代表了防冰性能的進一步升級，在惡劣的環境條件下(溫度、化學和紫外線暴露、磨損)具有極低的結冰附著力和非凡的耐久性。防結冰表面在高剪切流動下是非常穩定的，具有廣泛的溫度范圍，同時顯示出不粘的特性。在嚴酷的戶外應用中，這些涂層顯示出了優異的防結冰性能和長期的耐久性。

這種材料可以通過噴涂施工在任何材料表面使用。Ghasemi說，測試表明，這種材料不僅機械耐用，不受紫外線的影響--對于經常遭受太陽照射的飛機來說，紫外線非常重要--而且也不會改變飛機的空氣動力性能。測試表明，它可以提供持續10年以上的防護而不需要重涂。它還能防止在寒冷氣候下樓梯和人行道上常見的堅硬、光滑的冰層的形成，就像特氟龍鍋一樣，冰很難粘在上面 。這在航空、能源（發電、輸電、石油和天然氣）以及海洋工業中都有應用，可以減少從關鍵表面除冰的復雜性。