在输电设备、飞行器、船舶以及道路等物体表面不希望的结冰会造成严重的经济、能源、安全问题和环境危害。冰的形成过程复杂多样，从成核到随后的传播到最后的粘附，最终形成不同的冰晶，这给面对不同结冰情况设计不同的抗结冰材料带来了很大的困难。为了解决这些问题，研究人员发展了多样的抗结冰策略，但是这些抗结冰策略只侧重于单一方面，在实际应用中具有明显的局限性。因此，急需开发低成本、大规模、高效、多功能的抗结冰材料。
近日，加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授、中科院化学所王健君教授和上海交通大学朱新远教授合作，以抗冻蛋白（AFPs）为灵感，聚二甲基硅氧烷（PDMS）接枝聚电解质水凝胶为载体，研制了一种能同时抑制冰核形成、防止冰生长、减少冰粘附的多功能抗结冰水凝胶。相关论文以”Bioinspired Multifunctional Anti-icing Hydrogel”为题，发表在《Matter》上。
【本文亮点】
（1）基于抗冻蛋白策略，开发出了一种多功能抗结冰材料；
（2）该材料通过调节疏水性和离子特异性的协同作用来控制界面水；
（3）该材料具有多功能抗结冰性能。在抑制冰核（冰核温度低于30℃）、防止冰传播（冰传播速度低于0.002 cm2/秒）和降低冰粘附（冰粘附强度低于20kPa）方面具有高性能。
基于AFPs设计多功能抗结冰水凝胶
AFPs选择性吸附在冰晶表面来调节冰的形成过程。作者基于AFPs，通过控制界面水性能来合理设计多功能抗冻水凝胶；聚（丙烯酰胺-丙烯酸-N-烯丙基丙烯酰胺）（聚（AAm-co-AAc-co-AAene））水凝胶的聚合物网络为携带多个疏水和带电基团提供了支架；通过XPS证实了共聚和离子交换。
图1多功能防冰水凝胶的仿生设计
不同离子调节冰异相成核温度
不同离子调节异相冰核（HIN）的效率与离子特异性对水从液态向冰态结构转变的影响密切相关。界面水的结构取决于固/水界面上分布的抗衡离子的类型和数量。冰核成核效率随类冰水分子的比例增加而增加。因此，表面的HIN温度（TH）较高，抗衡离子具有更大的诱导类冰水的能力。研究了PG1-PFO表面在超低温下的冻结延迟，发现PG1-PFO表面在-28℃下仍保持4800s以上的未冻结状态，表现出良好的抗冰成核性能。
图2抑制非均匀冰核
有效降低冰的扩散速度
除了冰的成核作用，冰的传播在成冰过程中起着重要的作用。由于污染物、灰尘、表面边缘和缺陷，不可避免地会产生无用的HIN，从而导致整个表面的冰传播。冰传播的抑制效果用结冰速率即单位时间内结冰面积的变化来量化。由于水合表面上的冰传递行为受到界面水扩散速率的影响，通过调节疏水性和离子特异性可以有效调控表面冰传递速率。最终, 置换了PFO-离子的PG1水凝胶在-15℃下的冰传递速率可低至0.002cm2/s.
图3 防止冰的扩散
有效降低冰的粘附
如果冰不可避免地在超低温度的环境中形成，减少冰的粘附将是最后的手段。受滑冰的启发，界面水可以作为含水润滑层，降低冰的粘附强度。与NG相比，PG1-PG3水凝胶的冰粘附强度降低了一个多数量级, 冰粘附强度低于20 kPa 。PDMS改性水凝胶具有更高的机械性和长期耐久性。
图4降低冰的粘附
广阔的应用前景
由于PG1-PFO水凝胶具有抑制结冰和减少冰粘附的优良性能，是一种具有广泛应用前景的抗结冰材料。因此，进一步论证了该材料在不同基质上的冰的形成和冰粘附行为。此材料涂覆于铜、铝、不锈钢、陶瓷、玻璃、聚乙烯等材料上，在-25℃条件下，在这些材料表面的结冰时间大大减少，表面的冰粘附强度也极大降低，表面覆冰可被微风迅速除去。因此，此材料在抗结冰领域极具应用前景。
图5抗冻应用
小结
通过调节界面水的性质，可控调节水凝胶的抗冻性能。将亲水电解质和疏水PDMS单体引入到PG水凝胶涂层中，疏水性和离子专一性的协同作用使得PG1-PFO水凝胶复合表面具有很高的冰核、冰核扩展和粘附能力。在不改变原有超低冰附着力的情况下，该材料能显著延缓冰的形成。因此，多功能抗冻水凝胶在多种基材上的广泛应用为其应用到抗冻涂料提供更多的机会和可能性。但是，该水凝胶涂层的机械性能较差，可能限制其在实际生活中的应用。
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