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自然界中的蒸汽、露水、冰霜是人類最早發現的物質三態之間的變化?？諝庵械乃麜诘蜏乇砻嫔夏Y成水并放出熱量，當表面溫度降低至冰點時，水會進一步凝結成冰。通過吸收汽、水相變過程中釋放的熱量，人類創造了許多科技產品來改善自己的生存環境，例如空調、熱泵、除濕機。然而在寒冬中，這些設備的室外換熱器常常因為結冰的問題而停止工作?？蒲腥藛T一直試圖找到一種可以在嚴寒中“不結冰”的表面。這種材料不但能夠保障傳熱設備的連續運行，對于飛機、輪船、輸電線纜，或是風力發電機等易受冰霜侵襲的設施也具有非常重要的意義。
侯佑民博士和于淼博士是香港科技大學機械及航空航天工程學系姚舒懷教授研究團隊的博士后研究員，一直致力于研究各種仿生界面材料在液體輸運方面的應用。但是他們在這項研究中卻遇到了一個極大的困難：在水的連續相變過程中，強化水汽的凝結放熱與阻止液態水的結冰是相互矛盾的物理機制。
“目前常見的防冰材料多是利用降低表面的傳熱系數來阻止空氣中的水汽發生相變，”侯佑民說，“這種方法雖然可以減緩液態冷凝水轉化成為固態冰，但是同時也影響了相變的第一階段，蒸汽變成水的過程。如何在不降低水汽凝結能力的前提下，防止液態水結冰成為了困擾我們許久的問題。”
這個貌似悖論的研究難題最近有了突破性的進展，研究團隊成功發明了一種結合親水與疏水材料特性的二元微納米結構表面，在增強相變傳熱的同時，顯著提高了傳熱面上的防結冰能力。他們的這一研究成果發表在上physical review letters上。
圖1 二元混合微納米結構表面與超疏水納米結構、疏水光滑表面冷凝水滴結冰實驗對比（圖中結冰水滴被標記為藍色）
研究團隊發現，通過合理布局二元混合功能表面上的微納米結構，親水與超疏水特性可以在不同的空間尺度下發揮作用。由于二元混合結構潤濕特性的不同，從空氣中冷凝在該表面上的液滴的浸潤形態會隨著水滴半徑的增長發生顯著變化。這種浸潤形態的改變又會導致液滴與固體表面之間單位面積的界面熱阻不斷增加。當冷凝液滴的尺寸處于微米尺度時（<10μm），親水材料的潤濕性呈現主導地位，使空氣中的水汽能迅速凝結在低溫功能表面上并釋放出大量相變熱，從而達到強化換熱的效果。而當液滴逐漸生長到亞毫米尺度時（50~300μm），二元混合結構表面則開始表現出超疏水材料的非潤濕特性。由于大液滴在二元結構上的非浸潤形態，冷凝液滴與低溫表面之間的傳熱速率迅速降低，從而避免了液滴進一步降溫而結冰。同時，非浸潤狀態下的大液滴能夠利用超疏水材料特有的融合-彈跳機制，自發地脫離低溫傳熱面，進一步降低了液滴在低溫界面上結冰的可能性。
“這種表面材料的靈感來源于沙漠甲蟲背部的二元結構，在此基礎上又結合了模仿荷葉表面特征的超疏水性質，”于淼博士介紹到，“相比于單純模仿荷葉的超疏水表面，二元結構表面不單可以防止水滴結冰，而且能夠將相變換熱的表面熱流密度提高約40%，當超疏水表面結冰后，熱流密度的差距會達到5倍甚至更多。”
圖2 二元混合微納米結構表面與超疏水納米結構、疏水光滑表面在冷凝結冰實驗中熱流密度對比（小圖顯示不同表面結構上水滴結冰的臨界尺寸）
除此之外，這項工作在研究水汽三態相變的物理機制上也取得了顯著進展。研究者們在實驗過程中首次發現并且證明了凝結水滴在低溫條件下結冰的臨界半徑。通過將分子核化理論與微納尺度水滴傳熱模型相結合，研究團隊確證了液滴結冰時的臨界半徑與低溫表面結構，以及環境條件之間的物理關系。“這有別于傳統在時間尺度上對于冷凝水滴結冰速度的粗略統計。液滴核化結冰的臨界半徑，能夠使科學家與工程師們準確預估出不同表面結構上水汽冷凝、核化的動力學特性，”姚舒懷教授指出，“這對于進一步優化和研究不同工作環境下的防結冰表面結構具有非常積極的意義。”
近幾年來，姚舒懷教授的研究團隊在仿生界面上液體輸運和能量轉換等相關領域開展了一系列的研究（Advanced Functional Materials2011，21，4617，封面文章；ACS Nano，2015，9，71，封面文章；Nature Physics, 12, 606，2016；Int. J. Heat Mass Transf，2018，122，117.）相關的研究工作得到了香港大學教育資助委員會，香港創新科技署，廣東省科學技術廳等機構的基金資助。
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