国防科大吴楠/电子科大邓旭合作：多尺度“抗润湿/去润湿”设计，构建坚固的超疏水防冰表面

近日，国防科技大学吴楠副教授联合电子科技大学邓旭教授团队在国际权威材料期刊《Advanced in Colloid and Interface Science》(IF = 19.3)上发表题为“Multi-scale anti-wetting/dewetting design of robust superhydrophobic anti-icing surfaces”的重要综述文章，系统总结了超疏水防除冰表面设计方法和机制，强调了在宏观和微观尺度上抗润湿/去润湿性能的关键作用，分类介绍了全纳米结构、周期性分级结构和随机性分级结构的制备策略和防除冰性能，并深入探讨了当前存在的挑战和未来的发展方向。论文第一作者为国防科技大学孟芸芸讲师。相关研究获得国家自然科学基金和湖南省自然科学基金等项目支持。

超疏水防冰表面的多尺度抗润湿/去润湿机制

图1 SAISs的多尺度抗润湿/去润湿机制

多尺度结冰水环境中固液相互作用

目前普遍认为，SAIS的防冰性能并不依赖于室温下的宏观润湿性，而在于水/冰与表面微纳米结构在结冰条件下的相互作用。这一复杂过程涵盖从微观到宏观的多个层面，涉及动态的润湿/去润湿以及相变。因此，全面理解SAIS设计需要对润湿理论从抗润湿和去润湿两方面进行多尺度分析。

图2 液态水的跨尺度演化过程与尺度主导的防冰机制。

在静态模型中，Cassie-Baxter（C-B）态通过固-液-气复合界面实现高接触角和低粘附，但是这是一种亚稳态，易向因液体完全浸润结构导致高粘附的Wenzel态转变，材料的抗润湿能力体现为抑制这一转变，去润湿能力则体现为从Wenzel态恢复至C-B态。动态模型聚焦于接触角滞后（CAH），它由三相接触线的钉扎/脱钉扎行为决定，降低CAH是增强防/除冰性能的关键，已有策略包括分子级表面修饰均一化、降低接触线钉扎以及设计锥形等特殊结构。上述微观润湿模型指出，宏观润湿行为受微观尺度的固-液接触和接触角滞后控制，微观的润湿不均匀性可驱动液滴自发迁移。总体而言，理解并调控从分子到微米尺度的润湿行为，是实现稳定的超疏水防冰表面的理论基础。

图3 接触角滞后影响因素。（a）液滴后退时的指状去钉扎图像。（b）微柱表面三相接触线去钉扎过程。（c）化学异质性对固液摩擦的影响。（d）通过反应离子刻蚀制备的低接触角滞后的尖峰阵列。

SAISs的防/除冰机制及失效原因

SAISs的防冰机制涵盖五个方面：促进静态水去除、抑制动态水粘附、抑制冰晶成核、减少固-液热传递以及降低冰粘附强度。然而，在实际多尺度水环境中，C-B态极易失效：宏观上，高速水滴冲击产生的锤击压力和动压可能破坏结构或克服毛细压力导致润湿转变；微观上，低温高湿环境下的蒸汽冷凝会在微纳结构内填充空气层，诱导不可逆的Wenzel态转变。这些失效机制凸显了增强抗润湿/去润湿稳定性的迫切性。

图4 超疏水表面的防冰/除冰机制示意图：（a）促进静态水去除，（b）抑制动态水粘附，（c）抑制冰晶成核，（d）减少固液热传递，（e）降低冰粘附强度。

图5 蒸汽凝结引起的润湿性转变。（a）温泽尔态冷凝液滴。（b）结构间隙冷凝液滴结冰行为。（c）液滴冻结过程中的润湿转变示意图。

宏观尺度的抗润湿/去润湿策略

宏观尺度的抗润湿/去润湿策略，旨在抵御高速水冲击导致的C-B态失效。一方面，通过降低冲击压力来增强稳定性，包括选用低声阻抗的有机材料降低锤击压力；选用柔性基底吸收冲击动能并促进回弹，以及采用分级多孔结构允许有限渗入但保持二级纳米结构的非润湿状态。另一方面，通过提高抗润湿毛细压力来防止水渗透，其中减小微纳结构的特征尺寸是核心手段，但由于精细结构易损，因此需借助高强度微米“铠甲”结构保护纳米结构，或通过静电辅助沉积制备无孔致密微凸起结构以承受高速水射流冲击。此外，降低接触角滞后也有助于提高润湿转变的临界冲击速度。这些策略共同构成了宏观尺度下维持C-B态稳定性的有效路径。

图6 提升抗润湿压力的策略。（a）自组装超疏水纳米结构的示意图和SEM图像。（b）链状二氧化硅纳米颗粒超疏水涂层的微观形态。（c）“装甲”增强纳米结构的SEM图像和示意图。（d）通过静电场辅助沉积实现非多孔超疏水涂层的示意图及（e）相应的抗润湿机制。（f）锥形柱阵列的SEM图像。

微观尺度的抗润湿/去润湿策略

微观尺度的抗润湿/去润湿策略，一方面是通过抑制微结构内的冷凝：包括减小微纳空腔尺寸抑制冷凝成核；构建致密纳米线阵列结构降低水汽密度；利用石墨烯涂层物理阻隔水汽渗透；填充润滑剂避免冷凝水滴钉扎；利用水凝胶或亲水微孔引导冷凝水定向吸收，保护宏观超疏水性等策略。另一方面是促进冷凝水自去除：包括设计V形沟槽、垂直侧壁凹槽及塔状分层结构等驱动冷凝水向外挤出；在宏观脊状结构辅助下聚合液滴并诱导液滴弹跳自脱落；利用双亲性表面调控成核位置、并用超疏水结构促进液滴滑移，实现协同去润湿等策略。尽管文献中报道了许多脱湿结构，但在多尺度水环境中建立确定的半定量阈值以预测Cassie向Wenzel转变仍是重大挑战。

图7 冷凝水的自去除。（a）不同结构中冷凝水的自去除机制。（b）V形侧壁槽，（c）垂直侧壁槽，（d）分级塔状结构。（e~f）宏观凸起对液滴聚合和跳跃的增强效应。（g）双亲W形表面调节液滴的形核和聚合。

融冰过程中的去润湿行为

融冰过程中的去润湿行为，是决定超疏水防冰表面长期耐久性和抗二次结冰能力的关键。自发结构去润湿方面：具有精细二级纳米结构的微柱阵列可在水排出后自发从Wenzel态恢复至C-B态；分级多孔或非致密超疏水表面可通过气泡驱动或能量释放实现渗入水的自发去润湿。融冰/霜动态去润湿方面：冰滴融化时，固-液界面气泡的移动有助于空气层恢复，马兰戈尼流可增强去润湿；霜层融化经历收缩、分裂、瞬时自触发变形及变形诱导运动等步骤，聚并引起的“蠕动”可克服冰-固粘附力实现冰脱落。热诱导去润湿方面：光热或电热效应不仅能融冰，还能通过马兰戈尼效应主动增强Wenzel态向Cassie态转变，且相比机械除冰对微纳结构损伤更小。通过优化供能策略，即将主动机制与被动机制结合，可在保证C-B态恢复的前提下大幅降低能耗。总体而言，理解并利用融冰过程中的自发或热致去润湿机制，是实现超疏水防冰表面可持续应用的重要保障。

图8 融化冰/霜的去润湿策略（宏观）。（a）分层微柱结构的冷凝水去润湿过程。（b）亲水-疏水混杂结构除霜过程。（c~d）规则L形分级凸起诱导融霜定向自跳跃。（e~f）霜融化和冰滴融化过程的去润湿过程。

高耐久性SAISs的制备策略

上述提升抗润湿效果的策略为高耐久性SAISs的合理设计提供了基础指导。在分子尺度上，低表面能修饰（如氟硅烷、液态PDMS刷）可提高本征接触角、抑制成核；石墨烯等二维材料也能通过界面限域效应延缓结霜。此外，纳米结构，包括全纳米结构，周期性分级结构以及随机分级结构，在多个尺度上协调防/除冰性能。上述策略尚未有统一的比较标准，但是可扩展性、多基底适用性和成本效益是决定制造方法最终从实验室转化为实际工程应用的三个关键因素。

图9 SAISs分子尺度表面修饰策略。（a）结冰温度随本征接触角变化。（b）用全氟聚醚硅烷链修饰的纳米针状结构的SEM和TEM图像。（c）冰从类液长链修饰表面脱离时的库埃特流动。（d~e）石墨烯沉积碳钢表面以及对表面霜层覆盖率的影响。

总结与展望

本综述全面审视了超疏水防冰表面的多尺度抗润湿与去润湿机制。系统地分析了微观和宏观尺度上的固-液相互作用，涵盖了结冰前的抗润湿行为以及融化后的去润湿行为，重点阐述了这些相互作用如何决定在实际结冰条件下非润湿Cassie-Baxter状态的稳定性。本综述为静态/动态润湿模型与全纳米结构、周期性分级结构以及随机分级结构设计建立了联系，为理解和设计超疏水防冰表面提供了一个统一的框架。展望未来，需要在构效关系以及规模化制备两方面开展进一步研究，使超疏水防冰表面走向实际应用。