新型斥冰材料让飞机也可以安然过冬

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如今飞行器制造业探索并研发出一种阻隔冰水性能优异的材料，应用在很多方面。ETH的研究人员发现了制作刚性表面材料的方法：让水滴学会“蹦床”。

如果在接下来的几个月乘飞机旅行，就会发现冬天的航空飞行惯例——用一种特殊的液体将冰和雪从飞机的机翼上清除，以防止在某些特定的天气条件下空气中小水滴将会被压缩成冰，而后沉积在飞机机翼上，使起飞的时候产生湍流。因此，清理冰雪可以避免潜在的危险。还有种更好的方法，就是不让冰雪沉积在机翼上，甚至是令机翼自动排斥冰雪。

研究人员指出可以开发出一种排斥冰水的材料，为了达到这个目标，他们首先研究小水滴如何蹦床。

神秘的力量

ETH的教授Dimos Poulikakos和他的同事在实验室研究水滴在材料表面的行为特征。把一个尺寸为1mm的水滴放置在经过特殊处理的刚性硅胶表面，然后不断减小实验容器内的空气压力。同时，用高速摄影机拍摄液滴。

首先，液滴静止在刚性硅胶表面，但是当容器压力达到大气压的二十分之一时，液滴突然跳起。短暂的跳跃之后，液滴再次回到刚性硅胶表面，只是比第一次跳的略高。水滴在每次接触刚性硅胶表面后被推得更高，就像运动员每次从蹦床上弹回时都会跳的更高，不过水滴是在刚性表面跳跃。

这在外行人看起来就像是魔术，但在专家眼里，这种现象违反了基本物理学的规则：一个物体掉落在以刚性表面上时，无法自发获得动能来使自身回跳得更高。但是，“蹦床”的液滴恰恰是这样。

火箭推进中的液滴

为了了解促使液滴上下运动的推力的来源，Poulikakos和他的博士后Tom Schutzius 和 Stefan Jung对水滴的运动进行了具体的分析，并使用热成像相仪研究其内部的温度分布。

近些年已经解决了一系列关于水滴谜团的ETH科学家发现自然水蒸汽的结合以及材料表面的显微结构对蹦床现象十分重要。由于蒸发作用，液滴和材料表面之间形成超压，像弹簧一样使液滴在每次撞击后上下运动。

水滴在冷却到零摄氏度以下开始结冰，蒸发会被所谓的复辉作用加强。这是一种在材料加工中常见的现象，例如在钢铁的热处理中，在冷却时，会在短时间内自发加热至红热状态。这种现象的原因是铁在凝固时内部潜热的释放。这和水滴内部发生的过程十分相似，当水蒸汽被冷却到凝固点以下，冰晶开始形成，液固相变释放热量用来快速加热液滴至零摄氏度。

“这个过程发生在几毫秒内”， Schutzius说“因此发生了爆炸性的蒸发。”这使液滴进一步冷却，这个过程不断地循环下去。这种爆炸式的蒸发在液滴和材料表面间产生了一个更高的超压，并使其像火箭一样飙升。

智能表面设计

然而，这个问题的关键在于表面本身。它必须足够粗糙使得液滴不会黏在上面，但与此同时，它又不能太粗糙，否则，水蒸气从表面的气孔和裂纹溢出得太快，会导致火箭式的反应消失。

ETH研究者制作的具有显微结构的硅表面恰好满足这些要求：他们以几微米的宽度规则排列，列间距约5微米。

“从我们的研究成果可以推断出斥冰材料的表面性质，然后设计相应的材料”，Poulikakos说。

在他们的试验中，科学家们尝试了不同的材料，如：蚀刻铝和碳纳米管。为了使蹦床机制在现实生活中更有用，首先要在大气压下工作。Poulikakos和他的同事希望能够在未来的几年里在这方面取得进展。如果能够实现，将会有一系列的应用，从无冰的电线到防冰水的道路表面。可能有一天就不再需要专门给机翼除冰了。

该研究成果已经发表在 Nature 上。


来源:材料人网