西北工业大学苑伟政教授团队《AM》：仿生微结构防雪策略

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在严寒和高海拔地区，积雪问题正逐渐成为制约能源与智能设备运行的关键因素。光伏面板被积雪覆盖后，发电效率骤降；风力叶片上的雪层扰乱空气动力性能；桥梁缆索因积雪冻融反复带来疲劳损伤；无人机、高速列车等设备的摄像头、雷达一旦覆雪，更是可能导致系统直接失效。 虽然近年来涌现出大量超疏水、自润滑、光热防冰等界面材料，但这些设计多以“防冰”为核心，缺乏对“防雪”机制的系统研究。很多研究表明，许多防冰材料在湿雪条件下非但无法减少粘附，反而造成雪层“卡死”在表面，难以自然滑落。这背后，根源在于冰与雪在界面粘附上的本质差异。雪是由冰粒、水与空气混合物，其与固体的界面行为更为复杂。因此，开展防雪材料研究，能为户外设备在严寒条件下的稳定运行提供更实用的解决方案。

近日，西北工业大学苑伟政教授、何洋教授团队在《Advanced Materials》期刊发表研究成果“A Bioinspired Micro-Grooved Structure for Low Snow Adhesion and Effective Snow-Shedding”，揭示了雪在界面上的独特粘附行为，提出一种仿秦岭箭竹叶片的微沟槽结构，有效削弱了范德华力和毛细力，实现了积雪的低粘附与自脱落。这项工作突破了防雪=防冰的传统思路，为极端天气下的能源系统、桥梁设施提供了新型防护策略。

1.干雪与湿雪

不同于结构致密的冰层，雪是由冰粒、液态水和空气混合构成的多相物质。尤其在0℃附近的湿雪状态，其界面会因液桥效应产生极强的毛细吸附，粘附力远高于干雪。研究团队通过调节雪中水含量（LWC）研究干湿雪的界面粘附变化。实验发现：干雪状态下，各类工程材料表面的粘附力普遍低于100 Pa，差异不大；而在湿雪状态下，粘附力迅速上升，铝、PTFE等常用材料在LWC大于16%时雪粘附强度均显著增大，部分样品的湿雪粘附强度是干雪的10倍以上。这一现象凸显了雪固界面行为的复杂性，并展示了防雪研究的迫切需求。

图1. 雪的性质以及秦岭箭竹叶的低雪粘附特性。

2.从秦岭箭竹叶启发：仿生微沟槽结构

在自然界中，秦岭箭竹能在风雪中长时间保持叶面无雪覆盖，团队通过显微观察发现其表面具备规则的微沟槽结构。研究人员利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch®S130，精度：2μm）制备了一系列间距与高度不同的仿生微沟槽样品，考察了其对雪固粘附行为的影响。研究结果显示，结构高度低于30 μm时几乎无效；而当高度提升至100 μm以上，粘附力急剧下降，最低可达30 Pa，约为光滑表面的十分之一。此外，结构的宽高比（S/H）成为决定粘附强度的关键指标——越窄、越深的沟槽结构，其“真实接触面积”越小，对范德华力与毛细力的抑制越显著。更重要的是，V型沟槽还能起到“导水+储水”功能。当雪中自由水渗入界面后，其优先包覆雪粒、而非润湿固体表面，随后在重力作用下回落到V型槽底，有效实现了固液界面的物理分离，进一步削弱毛细作用。

图2. 雪固粘附行为。

3.雪固脱粘附行为：机械互锁作用

研究还发现，很多超疏水表面虽然粘附力很低，但湿雪却很难自然脱落。原因在于表面粗糙结构与雪粒之间发生“机械互锁”，阻碍了积雪滑动，导致雪层在倾斜表面也无法自发下滑。进一步分析发现，当雪粒直径与表面粗糙度特征尺寸相匹配时，机械互锁作用最强烈。通过估算，即便只有5%的粗糙峰与雪粒发生互锁，其产生的阻碍强度也可能高达23.7 kPa。 相比之下，仿生微沟槽结构因其周期性“光滑路径”设计，能有效避免互锁现象。实验中，在45°倾角下，微沟槽表面能实现3分钟内积雪自然脱落，而超疏水结构很难依靠积雪自重脱落。同时，在兼顾防冰需求方面，研究团队进一步在沟槽内部沉积超疏水纳米粒子，构建出“MG@SHS”双功能结构。该复合结构在保持微沟槽良好脱雪能力的同时，提升了其在多轮冻融循环下的抗冰粘附性能。该策略有望应用于光伏板表面、轨道交通设备等在复杂气候下运行的关键设施。

图3. 雪固脱粘附行为。

4.总结

本研究首次系统区分了“雪”与“冰”在粘附机制上的差异，提出了基于“范德华力+毛细力+机械互锁”的雪固界面粘附-脱粘附行为机制，构建了一种集防冰、防雪和防水功能于一体的多功能设计，为解决复杂气候下设备表面附雪问题提供了理论基础与实践方案。

https://doi.org/10.1002/adma.202500839

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