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1研究背景
随着全球气候变化的加剧，低温环境下工作表面的结冰问题对航空航天、电力传输和交通运输等多个行业产生了显著影响。冰的形成不仅影响设施的正常运行，还可能导致安全隐患和经济损失。因此，开发有效的防冰策略以提高在寒冷条件下设施的安全性和效率显得尤为重要。目前，主动和被动防冰是解决结冰问题的两种主要策略。主动防冰依赖外部能量输入来实现冰的融化或移除，而被动防冰则主要依赖材料本身的性能来防止冰的形成，无需额外的能量输入。然而，超疏水表面在严重冰积累条件下的有效性可能受限，且通常不具备低冰附着力，这是主动防冰能力的关键指标。因此，开发一种新型的超疏水表面，能够在外部刺激下改变其微纳米结构，不仅在被动防冰阶段保持延迟结冰的能力，而且在主动防冰阶段显著降低冰附着力，成为了研究的新方向。在这项背景下，磁响应超疏水表面因其便捷的切换机制、即时响应性和非接触操作而受到广泛关注。
2成果简介
在这项研究中，研究人员开发了一种新型的磁响应超疏水表面，以增强防冰性能并适应环境变化。他们通过简单的喷涂枪涂覆技术制备了具有良好柔韧性和磁致伸缩性的磁响应微毛阵列（MRMAs）。通过调整磁场的应用模式和距离，可以实现三种不同的形态：垂直、弯曲和交叉，从而优化水排斥性、主动防冰和被动防冰性能。实验数据显示，垂直MRMAs展现出极高的接触角和低液滴粘附力，有助于快速去除水滴；而弯曲MRMAs展现出最低的冰附着强度，有效降低了冰的形成可能性。此外，交叉MRMAs在延迟结冰方面表现出色，显著延长了水滴开始冻结的时间。这项研究不仅提供了一种新颖的防冰策略，还为设计能够适应复杂环境条件的多功能表面提供了新思路。。3图文导读
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图1 MRMAs的制备过程示意图，展示了通过简单喷涂和热固化获得高密度分布的MRMAs。![]()
图2 MRMAs的结构和组成。(a) 整体形态、逐渐放大的SEM图像、EDS表面扫描的元素分布、PDMS与添加CIPs的FTIR比较曲线。(b) MRMAs的三维结构和三个相邻毛的轮廓图。![]()
图3MRMAs的磁响应特性和水排斥性。(a) 磁场驱动的MRMAs形态变化、接触角变化和模拟验证。(b) MRMAs的磁滞回线和磁通密度与弯曲角度的趋势图。(c) 三种不同MRMAs表面的水排斥性，包括液滴粘附测试和液滴滚动测试。![]()
图4MRMAs的被动防冰性能和延迟结冰机制。(a) 不同MRMAs形态的表面上液滴结冰过程和从Cassie状态到Wenzel状态的转变示意图。(b) 三种不同润湿状态下MRMAs的全局温度模拟结果。(c) 初始状态下毛和固液界面的温度下降。(d) Wenzel状态下液滴相变的温度变化。![]()
图5 MRMAs的冰附着力测试和结构力学模拟。(a) 平滑表面和三种MRMAs上的冰附着力动态测试曲线。(b) 三种MRMAs表面在相同载荷下的应力分布。(c) 除冰周期对MRMAs冰附着力的影响。
4小结
这项研究成功开发了一种新型磁响应超疏水表面，能够通过磁场控制表面微结构的形态。通过精心优化喷涂时间和磁场参数，研究人员制备了具有高度柔韧性和磁致伸缩性的MRMAs。这些由嵌入PDMS中的铁磁颗粒组成的微毛展现出卓越的超疏水特性和磁响应性。根据不同的磁场条件，设计的MRMAs可以有效地在垂直、弯曲和交叉三种配置之间转换，每种形态都展现出优越的水排斥性和主动/被动防冰性能。特别是，弯曲表面展现出极低的冰附着力，而交叉结构在延长冻结时间方面表现出色。此外，这种磁响应超疏水表面已被证明具有出色的机械稳定性和鲁棒性，即使在多次除冰循环测试后，冰附着力仍低于20 kPa。总之，这种创新的磁响应超疏水表面对于提高防冰效率和适应变化的气候条件具有重要意义，为未来新型多功能材料的设计与合成提供了关键策略和基础。文献：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.11.094推荐阅读：
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