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科学家揭开猪笼草“油嘴滑虫”机制,开辟超滑防冰表面

2020年02月25日 点击:

大家提到科学家从荷叶中找到灵感,制作出了超疏水表面防冰。但是,实践证明,超疏水表面在防冰除冰应用中具有很大局限性,近些年来,研究人员开始将注意力转移到另一种类型的表面结构。而这种结构的灵感来源是,食虫植物猪笼草


Part.1


从荷叶到猪笼草——从“滚”到“滑”的转变


猎物为什么无法逃离猪笼草的捕笼?


众所周知,猪笼草的叶片特化为一个个捕笼。当昆虫或者其它小动物被捕笼顶部的蜜腺吸引而靠近捕笼时,就会跌落至笼底,沦为猪笼草的盘中餐。


那么落入捕笼的昆虫为什么无法沿着捕笼内壁攀援而上逃离虎口呢?


有些猪笼草的捕笼内壁覆盖着一层光滑的蜡质,使得落入捕笼的昆虫在内壁上站立不稳,很难逃出生天。不过也有一些猪笼草捕笼的内壁并没有蜡质,它们阻止猎物逃脱,靠的是覆盖在内壁上的薄薄一层雨水。大家都有这样的体验:在洒了水的地板上行走,一不留神就会滑倒,这说明液体能够提供比固体更好的润滑作用。而其背后的机制,在于液体可以通过流动保持分子层面上的光滑,这是任何固体都望尘莫及的。


但细心的读者马上会想到一个问题:猪笼草的捕笼经常处于倾斜甚至竖直的状态,其内壁上即使有水,也会很快流走,然而猪笼草内壁即便在降雨结束后一个小时仍然能够保持光滑效果,这又是什么原因呢?


答案仍然是大家前面提到的微观结构。


如果一种固体的表面能够被某种液体浸润,那么当固体表面从平滑变粗糙时,表面积的显著增加为液体提供了更多与固体接触的机会,使得更多的液体能够更加持久地停留在固体的表面。这其中的典型例子就是厨房中的海绵,海绵之所以能够吸取和保持更多的水分,正是因为内部充满大量微小的孔洞。同样,猪笼草内壁的表面也布满许多微观结构,这些看不见的“海绵”使得内壁表面能够较长时间地被水覆盖,保持光滑的效果。这样的表面,科学家们称之为“液体浸润多孔光滑表面”,简称为SLIPS 。


SLIPS表面——“升级版”超疏水表面


受到猪笼草的启发,研究人员开始尝试人工建造SLIPS表面,并且很快发现,这种具有非凡本领的表面可以由超疏水表面经过简单的“升级”而来。布满微观结构的超疏水表面虽然滴水不沾,却和一些含氟的液态有机物“志趣相投”,可以被后者浸润。因此,如果把这些液体涂到超疏水表面,它们就可以长久地呆在那里,不会流走。如果大家把水滴到这样的表面上,由于水既不能浸润超疏水表面,也无法与这些含氟的液体互溶,因此只能停留在表面上,而表面由于含氟液体层的存在非常光滑,因此只要大家稍稍倾斜,水滴就会滑落而下。显然,在低温天气下,这样的表面应该有效阻止冰层的形成,而实验也证实了这一点。例如在2012年的一项研究中,在低温下,随着时间的推移,当传统的超疏水表面也坚持不住开始出现结冰时,SLIPS表面的大部分区域仍然保持初始状态,彰显了这一类表面的威力。


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将普通的铝的表面(上)经过处理转化成SLIPS表面(下)后,低温下固体表面结冰的过程大大延缓。即便最终冰仍然会在SLIPS表面形成,升温后也较为容易除去。(图片来源:参考文献)


与超疏水表面相比,SLIPS表面最大的优势在于它具有一定的自我修复能力。超疏水表面的微观结构一旦被破坏,就无法再生,但SLIPS表面如果某个区域的液体遭受损失,周围的液体并不会对此“袖手旁观”,因为这些液体能够浸润固体,所以它们总是会试图和固体保持接触,而不是让固体暴露在空气中,所以马上就会填补过来。另外,目前用于防冰的SLIPS表面大多使用沸点较高的液体,它们不会像水那样在使用过程挥发殆尽。


用水来抗冰?我国研究人员将天方夜谭变为现实


不过,一些研究仍然表明,SLIPS表面中起润滑作用的液体会在结冰-除冰的循环中不断流失。当这些起到润湿作用的液体消耗殆尽时,SLIPS表面就退化成超疏水表面,而使用者也不得不面对后者的弊端。


针对这一问题,来自我国的研究人员对SLIPS表面进行了改造,不再使用有机物液体,而是改用水来浸润固体表面。


用水来对抗结冰,这听起来像是天方夜谭,但实际上正是研究人员的高明之处。他们在常规的固体表面涂上一层具有吸湿性的高分子材料。由于这一层高分子材料的存在,空气中的水汽很容易凝结到固体表面,形成一层薄薄的水膜。就像盐水比纯水需要更低的温度才能结冰一样,溶解了高分子材料的水膜,其凝固点也显著降低,可以在-25 oC的低温下仍然保持液态。当这样的固体表面结冰时,冰层和固体之间实际上夹了一层水膜。由于水膜的润滑作用,冰层和固体之间的黏附作用相当微弱,大家只需要很小一点力就可以将冰层清除。当然,如果气温低于-25 oC,原本起润滑作用的水膜也结了冰,这样的表面自然起不到防冰的效果,但通过调整高分子材料的化学结构,理论上大家可以将水膜的凝固点进一步降低,从而让表面的防冰能力在更低的温度下也完好如初。


Part.2


从防结冰到易除冰,

“低界面韧性表面”返璞归真反而最佳?


刚才提到的这项研究实际上标志着致力于表面防冰研究的科学家们开始调整思路,不再关注于如何防止固体表面结冰。毕竟,无论是超疏水表面还是SLIPS表面,要想做到在任何条件下都绝对不能结冰是很困难。因此,研究人员开始思考如何降低固体和冰层之间的黏附作用。这样的表面也许在低温下很快就会结冰,但只要大家轻轻一碰,并不牢固的冰层就会从固体表面滑落。显然,这样的固体表面在实际应用中也有着不可估量的价值。


那么如何找到这样的表面呢?前面提到的水膜润滑无疑是个很好的例子。而在今年早些时候发表在《科学》上的一项研究中,来自美国密歇根大学的研究人员另辟蹊径,提出了新的思路。他们指出,固体表面涂层的韧性对于固体与冰层之间的黏附力有着显著影响。所谓韧性,指的是材料吸取能量、抗击冲击的能力。例如一个玻璃瓶从高处落下会粉身碎骨,而塑料瓶从同样高度落下则安然无恙,因此大家可以说塑料的韧性要优于玻璃。


研究人员发现,降低固体表面的韧性不仅会降低破除表面冰层所需的力量,还会导致一个有趣的现象:对于一定宽度的常规固体表面,随着长度增加,固体与冰层之间的相互作用也自然随之增加;然而如果将固体表面的韧性控制在一定程度以下,达到所谓“低界面韧性表面”,当固体长度超过一个很小的临界值后,长度继续增加,固体与冰层之间的作用不再随之增加,而是趋于恒定。


考虑到实际应用中迫切需要防冰除冰的多是机翼、输电线路、风力发电机叶片等较长的物体,这一发现的意义是不言而喻的:即便是前面提到的超疏水表面或者SLIPS表面,一旦表面最终结冰,除冰所需的力量仍然会是相当可观的。相反,这种低韧性的表面却能够保证除冰所需的力量始终维持在较低程度。而且与前面提到的若干防冰表面不同,这种表面不需要特殊的物理或者化学结构,只需通过降低常规涂层厚度和向涂层中添加增塑剂等简单的办法就可以实现。


在一项实验中,研究者先是在铝条表面涂上较为疏水、因此也具有一定防冰能力的聚二甲基硅氧烷,结果发现当表面结冰后,即便将铝条弯曲较大的幅度,冰层也不会脱落。但如果对这一聚二甲基硅氧烷涂层进行若干处理以降低其表面韧性,只要稍微弯曲铝条,冰层就会断落。在另一项实验中,研究人员在一块一米见方的铝板表面涂上低韧性的聚二甲基硅氧烷涂层,然后将铝板置于冬季室外任其结冰。观察表明,随着结冰的发生,冰层自身的重力就足以破坏冰层与固体之间的黏附作用,导致冰层脱落。因此,这种固体表面虽然乍一看不像超疏水表面和SLIPS表面那样能够阻止冰层的形成,在实际操作中,它的防冰效果可能反而要大大优于前二者呢。


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图A:“低界面韧性表面”的防冰效果既优于普通的固体表面(左),也超过了传统的防冰表面(中);图B:用低界面韧性表面涂层处理后的铝板在室外的防冰测试。(图片来源:参考文献)


Part.3


结语


这一系列新的研究的问世,表明科学家们对于表面防冰除冰的认识不断深入。当然,这一领域还存在的不少有待解决的难题,开发持续耐久、且在各种条件下都能较好防止冰层形成的表面仍然是一个不小的挑战。不过相信随着材料学的进步,大家在冬季会越来越少地受到结冰的困扰。


参考文献:

1、Tak-Sing Wong, “Bioinspired Self-Repairing Slippery Surfaces with Pressure-Stable Omniphobicity”, Nature, 2011, 477, 443

2、 Philseok Kim et al. “Liquid-Infused Nanostructured Surfaces with Extreme Anti-Ice and Anti-Frost Performance”, ACS Nano, 2012, 6, 6569

3、Konrad Rykaczewski et al. “Mechanism of Frost Formation on Lubricant-Impregnated Surfaces”, Langmuir, 2013, 29, 5230

4、Jing Chen et al. “Robust Prototypical Anti-icing Coatings with a Self-lubricating Liquid Water Layer between Ice and Substrate”, ACS Applied Materials and Interfaces, 2013, 5, 4026

5、 Renmei Dou et al. “Anti-icing Coating with an Aqueous Lubricating Layer”, 2014, 6, 6998

6、Kevin Golovin et al. “Low–interfacial Toughness Materials for Effective Large-scale Deicing”, Science, 2019, 364, 371


出品:科普中国

制作:魏昕宇

监制:中国科学院计算机网络信息中心


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