科技日報記者 張佳欣
最新一期《科學(xué)進展》雜志上發(fā)表的論文稱，美國西北大學(xué)工程師開發(fā)了一種新策略，對任何表面的紋理進行調(diào)整，并添加一層薄薄的氧化石墨烯，就可確保表面在一周甚至更長時間內(nèi)完全不結(jié)霜。這種表面還具有抗裂、抗刮擦和抗污染的優(yōu)點，具有可擴展性、耐用性，并可通過3D打印輕松制造。
研究人員表示，他們設(shè)計的靈感來源于樹葉的波紋幾何形狀。在樹葉的凸起區(qū)域，結(jié)霜更多，而在凹陷區(qū)域（葉脈），結(jié)霜要少得多。早在2020年，他們就發(fā)現(xiàn)，是幾何形狀，而非材料，導(dǎo)致了這一現(xiàn)象。通過實驗和計算模擬，他們進一步發(fā)現(xiàn)，在波浪形表面的波峰處，凝結(jié)作用得到增強，而在波谷處則受到抑制，波谷中少量凝結(jié)的水隨后蒸發(fā)，從而形成無霜區(qū)域。
此前，研究人員開發(fā)了一種表面，其特征是毫米級的波峰和波谷，且波峰和波谷之間的角度較小。最新研究中，他們在平坦的波谷上涂了一層僅600微米厚的氧化石墨烯薄膜，結(jié)霜減少了100%。新表面由微小的凸起組成，波峰之間的距離為5毫米。
氧化石墨烯能夠吸附水蒸氣，并將水分子限制在其結(jié)構(gòu)內(nèi)。因此，氧化石墨烯層就像一個容器，可以防止水蒸氣結(jié)冰。當氧化石墨烯與宏觀紋理表面結(jié)合時，就能在高過飽和狀態(tài)下長時間抵抗結(jié)霜。這種混合表面成為一個穩(wěn)定、持久、無霜的區(qū)域。
與其他先進的防霜表面相比，新方法顯然更勝一籌。超疏水（防水）和注有潤滑劑的表面可在5小時內(nèi)阻止5%—36%的霜凍形成，而新表面可在長達160小時內(nèi)阻止100%的霜凍形成。
