在輸電設備、飛行器、船舶以及道路等物體表面不希望的結冰會造成嚴重的經濟、能源、安全問題和環境危害。冰的形成過程復雜多樣，從成核到隨后的傳播到最后的粘附，最終形成不同的冰晶，這給面對不同結冰情況設計不同的抗結冰材料帶來了很大的困難。為了解決這些問題，研究人員發展了多樣的抗結冰策略，但是這些抗結冰策略只側重于單一方面，在實際應用中具有明顯的局限性。因此，急需開發低成本、大規模、高效、多功能的抗結冰材料。
近日，加州大學洛杉磯分校賀曦敏教授、中科院化學所王健君教授和上海交通大學朱新遠教授合作，以抗凍蛋白（AFPs）為靈感，聚二甲基硅氧烷（PDMS）接枝聚電解質水凝膠為載體，研制了一種能同時抑制冰核形成、防止冰生長、減少冰粘附的多功能抗結冰水凝膠。相關論文以”Bioinspired Multifunctional Anti-icing Hydrogel”為題，發表在《Matter》上。
【本文亮點】
（1）基于抗凍蛋白策略，開發出了一種多功能抗結冰材料；
（2）該材料通過調節疏水性和離子特異性的協同作用來控制界面水；
（3）該材料具有多功能抗結冰性能。在抑制冰核（冰核溫度低于30℃）、防止冰傳播（冰傳播速度低于0.002 cm2/秒）和降低冰粘附（冰粘附強度低于20kPa）方面具有高性能。
基于AFPs設計多功能抗結冰水凝膠
AFPs選擇性吸附在冰晶表面來調節冰的形成過程。作者基于AFPs，通過控制界面水性能來合理設計多功能抗凍水凝膠；聚（丙烯酰胺-丙烯酸-N-烯丙基丙烯酰胺）（聚（AAm-co-AAc-co-AAene））水凝膠的聚合物網絡為攜帶多個疏水和帶電基團提供了支架；通過XPS證實了共聚和離子交換。
圖1多功能防冰水凝膠的仿生設計
不同離子調節冰異相成核溫度
不同離子調節異相冰核（HIN）的效率與離子特異性對水從液態向冰態結構轉變的影響密切相關。界面水的結構取決于固/水界面上分布的抗衡離子的類型和數量。冰核成核效率隨類冰水分子的比例增加而增加。因此，表面的HIN溫度（TH）較高，抗衡離子具有更大的誘導類冰水的能力。研究了PG1-PFO表面在超低溫下的凍結延遲，發現PG1-PFO表面在-28℃下仍保持4800s以上的未凍結狀態，表現出良好的抗冰成核性能。
圖2抑制非均勻冰核
有效降低冰的擴散速度
除了冰的成核作用，冰的傳播在成冰過程中起著重要的作用。由于污染物、灰塵、表面邊緣和缺陷，不可避免地會產生無用的HIN，從而導致整個表面的冰傳播。冰傳播的抑制效果用結冰速率即單位時間內結冰面積的變化來量化。由于水合表面上的冰傳遞行為受到界面水擴散速率的影響，通過調節疏水性和離子特異性可以有效調控表面冰傳遞速率。最終, 置換了PFO-離子的PG1水凝膠在-15℃下的冰傳遞速率可低至0.002cm2/s.
圖3 防止冰的擴散
有效降低冰的粘附
如果冰不可避免地在超低溫度的環境中形成，減少冰的粘附將是最后的手段。受滑冰的啟發，界面水可以作為含水潤滑層，降低冰的粘附強度。與NG相比，PG1-PG3水凝膠的冰粘附強度降低了一個多數量級, 冰粘附強度低于20 kPa 。PDMS改性水凝膠具有更高的機械性和長期耐久性。
圖4降低冰的粘附
廣闊的應用前景
由于PG1-PFO水凝膠具有抑制結冰和減少冰粘附的優良性能，是一種具有廣泛應用前景的抗結冰材料。因此，進一步論證了該材料在不同基質上的冰的形成和冰粘附行為。此材料涂覆于銅、鋁、不銹鋼、陶瓷、玻璃、聚乙烯等材料上，在-25℃條件下，在這些材料表面的結冰時間大大減少，表面的冰粘附強度也極大降低，表面覆冰可被微風迅速除去。因此，此材料在抗結冰領域極具應用前景。
圖5抗凍應用
小結
通過調節界面水的性質，可控調節水凝膠的抗凍性能。將親水電解質和疏水PDMS單體引入到PG水凝膠涂層中，疏水性和離子專一性的協同作用使得PG1-PFO水凝膠復合表面具有很高的冰核、冰核擴展和粘附能力。在不改變原有超低冰附著力的情況下，該材料能顯著延緩冰的形成。因此，多功能抗凍水凝膠在多種基材上的廣泛應用為其應用到抗凍涂料提供更多的機會和可能性。但是，該水凝膠涂層的機械性能較差，可能限制其在實際生活中的應用。