【编者按】
可喜可贺！
近日，我院建筑物能源研究中心副主任姚舒怀教授团队在微纳米结构表面上水汽相变的研究方面取得了突破性进展！
团队成功制备出“不结冰”的高效换热界面材料，并确证了冷凝水滴在过冷条件下结冰的临界半径。这项研究成果给人类生活带来什么样的好消息呢？
在寒冬里使用空调或热泵取暖时，人们总是希望室外机组不要结冰，因为传热面上的冷凝水一旦形成冰霜，会极大地增加热交换器的热阻，从而导致室外机的吸热效率大幅降低。因此，长久以来，科学家们都试图找到一种可以在严寒中“不结冰”的材料，这样不单能够改善空调、热泵等传热设备的能耗，而且对于飞机、轮船、风力发电机以及输电线缆等易受冰霜侵袭的工具设施也具有极其重要的作用。
然而，目前常见的防冰材料大多是通过降低表面的传热系数来阻止空气中的水分从气态向固态的相变——这种方法虽然可以减缓液态冷凝水进一步冷却凝结成为固态冰，但是也极大地影响了热交换器的传热效率。因此，如何在不降低传热能力的前提下，防止冷凝在低温传热面上的液态水结冰，成为了一个困扰科研人员和工程师们多年的难题。
近日，香港科技大学的姚舒怀教授团队对于微纳米结构表面上水汽相变的研究取得了突破性进展。研究团队成功制备了一种结合亲水与疏水材料特性的二元微纳米结构表面，在增强相变传热的同时，显著提高了传热面上的防结冰能力。
研究团队发现，通过合理安排二元功能表面上的材料结构布局，亲水与超疏水特性可以在不同的空间尺度下发挥作用。由于二元结构润湿特性的不同，从空气中冷凝在该表面上的水滴浸润形态会随着水滴半径的增长发生明显的变化。而这种浸润形态的改变又会导致水滴与固体表面之间单位面积的界面热阻不断增加。当冷凝水滴的大小处于微米尺度时（< 10 μm），亲水材料的润湿性呈现主导地位，使空气中的水汽能迅速凝结在低温功能表面上并释放出大量相变热，达到强化换热的效果。而当水滴逐渐生长到亚毫米尺度时（50 ~ 300 μm），二元结构表面则开始表现出超疏水材料的非润湿特性。由于大水滴在二元结构上的非浸润形态，冷凝水滴与低温表面间的传热速率迅速减小，从而避免了水滴进一步降温而结冰。同时，非浸润状态下的大水滴能够利用超疏水材料所特有的融合——弹跳机制，自发地脱离低温传热面，进一步降低了水滴在低温面上结冰的可能。
图1. 二元混合微纳米结构表面与超疏水纳米结构、疏水光滑表面冷凝水滴结冰实验对比（图中结冰水滴被标记为蓝色）。
“相比于普通的超疏水表面，二元结构表面不仅可以有效防止水滴结冰，而且可以将相变换热的表面热流密度提高约40%，”姚舒怀教授说，“当超疏水表面结冰后，传热效率的差距会进一步增加到5倍以上。”
图2. 二元混合微纳米结构表面与超疏水纳米结构、疏水光滑表面在冷凝结冰实验中热流密度对比（小图显示不同表面结构上水滴结冰的临界尺寸）。
研究团队的另一个显著成果在于成功发现并确证了冷凝水滴在过冷条件下结冰的临界半径。利用经典分子成核理论的分析，结合微尺度水滴传热模型，课题组找到了冷凝水滴结冰的临界半径与低温传热面结构特性，以及环境条件之间的物理关系。
“这不同于传统的、在时间尺度上对于冷凝水滴结冰的粗略估计。水滴结冰的临界半径使科研人员能够准确预测不同表面结构上水汽凝结相变的动力学特性，”研究团队指出，“这对于进一步优化和研究不同工作环境下的防结冰表面结构具有非常积极的意义。”
这一成果发表在Physical Review Letters 上，文章的第一作者是香港科技大学的侯佑民博士和于淼博士。
该论文作者为：Youmin Hou, Miao Yu, Yuhe Shang, Peng Zhou, Ruyuan Song, Xiaonan Xu, Xuemei Chen, Zuankai Wang, Shuhuai Yao
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Suppressing Ice Nucleation of Supercooled Condensate with Biphilic Topography
Phys. Rev. Lett., 2018, 120, 075902, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.075902
本文转自： “X-MOL资讯”
