在嚴(yán)寒和高海拔地區(qū)，積雪問(wèn)題正逐漸成為制約能源與智能設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵因素。光伏面板被積雪覆蓋后，發(fā)電效率驟降；風(fēng)力葉片上的雪層擾亂空氣動(dòng)力性能；橋梁纜索因積雪凍融反復(fù)帶來(lái)疲勞損傷；無(wú)人機(jī)、高速列車等設(shè)備的攝像頭、雷達(dá)一旦覆雪，更是可能導(dǎo)致系統(tǒng)直接失效。 雖然近年來(lái)涌現(xiàn)出大量超疏水、自潤(rùn)滑、光熱防冰等界面材料，但這些設(shè)計(jì)多以“防冰”為核心，缺乏對(duì)“防雪”機(jī)制的系統(tǒng)研究。很多研究表明，許多防冰材料在濕雪條件下非但無(wú)法減少粘附，反而造成雪層“卡死”在表面，難以自然滑落。這背后，根源在于冰與雪在界面粘附上的本質(zhì)差異。雪是由冰粒、水與空氣混合物，其與固體的界面行為更為復(fù)雜。因此，開(kāi)展防雪材料研究，能為戶外設(shè)備在嚴(yán)寒條件下的穩(wěn)定運(yùn)行提供更實(shí)用的解決方案。

近日，西北工業(yè)大學(xué)苑偉政教授、何洋教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》期刊發(fā)表研究成果“A Bioinspired Micro-Grooved Structure for Low Snow Adhesion and Effective Snow-Shedding”，揭示了雪在界面上的粘附行為，提出一種仿秦嶺箭竹葉片的微溝槽結(jié)構(gòu)，有效削弱了范德華力和毛細(xì)力，實(shí)現(xiàn)了積雪的低粘附與自脫落。這項(xiàng)工作突破了防雪=防冰的傳統(tǒng)思路，為惡劣天氣下的能源系統(tǒng)、橋梁設(shè)施提供了新型防護(hù)策略。

1.干雪與濕雪

不同于結(jié)構(gòu)致密的冰層，雪是由冰粒、液態(tài)水和空氣混合構(gòu)成的多相物質(zhì)。尤其在0℃附近的濕雪狀態(tài)，其界面會(huì)因液橋效應(yīng)產(chǎn)生很強(qiáng)的毛細(xì)吸附，粘附力遠(yuǎn)高于干雪。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)雪中水含量（LWC）研究干濕雪的界面粘附變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：干雪狀態(tài)下，各類工程材料表面的粘附力普遍低于100 Pa，差異不大；而在濕雪狀態(tài)下，粘附力迅速上升，鋁、PTFE等常用材料在LWC大于16%時(shí)雪粘附強(qiáng)度均顯著增大，部分樣品的濕雪粘附強(qiáng)度是干雪的10倍以上。這一現(xiàn)象凸顯了雪固界面行為的復(fù)雜性，并展示了防雪研究的迫切需求。

圖1. 雪的性質(zhì)以及秦嶺箭竹葉的低雪粘附特性。

2.從秦嶺箭竹葉啟發(fā)：仿生微溝槽結(jié)構(gòu)

在自然界中，秦嶺箭竹能在風(fēng)雪中長(zhǎng)時(shí)間保持葉面無(wú)雪覆蓋，團(tuán)隊(duì)通過(guò)顯微觀察發(fā)現(xiàn)其表面具備規(guī)則的微溝槽結(jié)構(gòu)。研究人員利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2 μm）制備了一系列間距與高度不同的仿生微溝槽樣品，考察了其對(duì)雪固粘附行為的影響。研究結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)高度低于30 μm時(shí)幾乎無(wú)效；而當(dāng)高度提升至100 μm以上，粘附力急劇下降，可達(dá)30 Pa，約為光滑表面的十分之一。此外，結(jié)構(gòu)的寬高比（S/H）成為決定粘附強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)——越窄、越深的溝槽結(jié)構(gòu)，其“真實(shí)接觸面積”越小，對(duì)范德華力與毛細(xì)力的抑制越顯著。更重要的是，V型溝槽還能起到“導(dǎo)水+儲(chǔ)水”功能。當(dāng)雪中自由水滲入界面后，其優(yōu)先包覆雪粒、而非潤(rùn)濕固體表面，隨后在重力作用下回落到V型槽底，有效實(shí)現(xiàn)了固液界面的物理分離，進(jìn)一步削弱毛細(xì)作用。

圖2. 雪固粘附行為。

3.雪固脫粘附行為：機(jī)械互鎖作用

研究還發(fā)現(xiàn)，很多超疏水表面雖然粘附力很低，但濕雪卻很難自然脫落。原因在于表面粗糙結(jié)構(gòu)與雪粒之間發(fā)生“機(jī)械互鎖”，阻礙了積雪滑動(dòng)，導(dǎo)致雪層在傾斜表面也無(wú)法自發(fā)下滑。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雪粒直徑與表面粗糙度特征尺寸相匹配時(shí)，機(jī)械互鎖作用強(qiáng)烈。通過(guò)估算，即便只有5%的粗糙峰與雪粒發(fā)生互鎖，其產(chǎn)生的阻礙強(qiáng)度也可能高達(dá)23.7 kPa。 相比之下，仿生微溝槽結(jié)構(gòu)因其周期性“光滑路徑”設(shè)計(jì)，能有效避免互鎖現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中，在45°傾角下，微溝槽表面能實(shí)現(xiàn)3分鐘內(nèi)積雪自然脫落，而超疏水結(jié)構(gòu)很難依靠積雪自重脫落。同時(shí)，在兼顧防冰需求方面，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在溝槽內(nèi)部沉積超疏水納米粒子，構(gòu)建出“MG@SHS”雙功能結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)在保持微溝槽良好脫雪能力的同時(shí)，提升了其在多輪凍融循環(huán)下的抗冰粘附性能。該策略有望應(yīng)用于光伏板表面、軌道交通設(shè)備等在復(fù)雜氣候下運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)施。

圖3. 雪固脫粘附行為。

4.總結(jié)

本研究系統(tǒng)區(qū)分了“雪”與“冰”在粘附機(jī)制上的差異，提出了基于“范德華力+毛細(xì)力+機(jī)械互鎖”的雪固界面粘附-脫粘附行為機(jī)制，構(gòu)建了一種集防冰、防雪和防水功能于一體的多功能設(shè)計(jì)，為解決復(fù)雜氣候下設(shè)備表面附雪問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)與實(shí)踐方案。