想象一下，未来我们或许不再需要为冰箱除霜或是费力刮去玻璃上的霜冻。西北大学的工程师们已经开发出一种新方法，可以在冰霜形成之前彻底阻止它。这项新研究揭示了一种结合纹理图案和氧化石墨烯薄层的表面设计，这种设计能够100%防止冰霜形成，持续时间超过一周——比现有的表面技术持久1000倍。这种耐用、可扩展的设计，可能为各行业节省数十亿的维护成本和能源费用。优化的表面可以完全防止平坦区域形成霜冻长达一周。
这项研究的灵感来源于自然，特别是树叶的几何形状。研究人员发现，在表面上添加毫米级的纹理理论上可以减少高达80%的霜冻形成。这项研究发表在《科学进展》杂志上。
“不受欢迎的霜冻积累在各个行业、住宅和政府部门都是一个主要问题，”该研究的主要负责人Kyoo-Chul Kenneth Park说。“例如，2021年德克萨斯州的电力危机造成了190亿美元的经济损失，直接原因是霜冻、冰和极端寒冷天气持续了160多个小时。因此，开发能够在极端环境条件下长时间保持坚固的防霜冻技术至关重要。同时，也需要开发易于制造和实施的防霜冻方法。我们设计的混合防霜冻技术考虑了所有这些需求。它可以预防霜冻长达数周，并且可扩展、耐用，可以通过3D打印轻松制造。”
氧化石墨烯的捕获能力是其关键所在。在之前的研究中，Park的团队开发了一种表面，其特点是毫米级的峰谷和小角度。在新研究中，Park的团队在平坦的谷地添加了氧化石墨烯，这减少了那些谷地的霜冻形成100%。新表面由小凸起组成，峰顶到峰顶的距离为5毫米。然后在峰谷之间涂覆了一层仅600微米厚的氧化石墨烯。
“氧化石墨烯吸引水蒸气，然后将其中的水分子限制在其结构中，”Park说。“因此，氧化石墨烯层就像容器一样防止水蒸气冻结。当我们将氧化石墨烯与宏观纹理表面结合时，它在高过饱和度下长时间抵抗霜冻。这种混合表面变成了一个稳定、持久、无霜冻的区域。”
与其他最先进的防霜冻表面相比，Park的方法无疑是赢家。虽然超疏水（排斥水）和润滑剂注入的表面抵抗了5-36%的霜冻形成，持续了5个小时，但Park的表面抵抗了100%的霜冻形成，持续了160个小时。
“大多数其他防霜冻表面容易因划痕或污染而损坏，这会随着时间的推移降低表面性能，”Park说。“但我们的防霜冻机制显示出对划痕、裂缝和污染物的鲁棒性，延长了表面的使用寿命。”
这种混合宏观纹理-氧化石墨烯表面为预防各种应用中的霜冻形成提供了有希望的解决方案。大多数人只在霜冻覆盖他们的汽车挡风玻璃或杀死他们的户外植物时才担心它。但霜冻不仅仅是一个麻烦。
飞机机翼上的霜冻会产生阻力，使飞行变得危险甚至不可能。当霜冻在冰箱和冰柜内部积累时，会大大降低电器的能源效率。霜冻会增加电线过多的重量，导致断裂，最终引发停电。它还可以损害车辆的传感器，影响它们准确检测物体的能力。
“开发新的防霜冻技术对于防止昂贵的机械故障、能源效率低下和安全风险至关重要，”Park说。“目前没有一个‘一刀切’的方法，因为每个应用都有具体的需求。尽管飞机只需要几秒钟的霜冻抵抗力，但在寒冷环境中运行的电线可能需要数天或数周的霜冻抵抗力。有了我们的新见解，我们可以设计出减少冰附着的电线和飞机机翼。这些改变将大大降低每年的维护成本。”
这项研究的成果不仅在理论上具有创新性，而且在实际应用中也显示出了巨大的潜力。例如，飞机机翼上的霜冻会增加空气阻力，这不仅会影响飞行效率，还可能导致飞行安全事故。而这项新技术能够有效减少这种风险，提高飞行安全。
此外，霜冻对电力系统的威胁也不容忽视。霜冻会增加电线和变压器的重量，可能导致电线断裂和变压器损坏，引发停电。通过使用这种新型抗冻技术，可以显著降低这些风险，保障电力系统的稳定运行。
在家庭中，冰箱和冰柜的霜冻问题同样令人头疼。霜冻不仅降低了这些电器的能源效率，还可能导致食物变质。采用这种新型抗冻技术，可以大幅减少霜冻的形成，节省能源消耗，延长电器的使用寿命。
这项技术的推出，无疑将对多个行业产生深远影响。从航空到电力，再到家用电器，其潜在的应用场景广泛。更重要的是，这种技术的耐用性和可扩展性意味着它可以大规模生产，为各行各业提供经济有效的解决方案。
随着这项技术的进一步研究和开发，我们可以期待在未来几年内看到更多的实际应用。这不仅能够为企业节省数十亿的维护成本，还能为普通消费者带来更加便捷和舒适的生活体验。
参考资料：DOI：10.1126/sciadv.adq8525