仿生波紋技術打造不結霜表面

科技日報訊 （記者張佳欣）最新一期《科學進展》雜誌上發表的論文稱，美國西北大學工程師開發了一種新策略，對任何表面的紋理進行調整，並添加一層薄薄的氧化石墨烯，就可確保表面在一週甚至更長時間內完全不結霜。這種表面還具有抗裂、抗刮擦和抗污染的優點，具有可擴展性、耐用性，並可通過3D打印輕鬆製造。

研究人員表示，他們設計的靈感來源於樹葉的波紋幾何形狀。在樹葉的凸起區域，結霜更多，而在凹陷區域（葉脈），結霜要少得多。早在2020年，他們就發現，是幾何形狀，而非材料，導致了這一現象。通過實驗和計算模擬，他們進一步發現，在波浪形表面的波峯處，凝結作用得到增強，而在波谷處則受到抑制，波谷中少量凝結的水隨後蒸發，從而形成無霜區域。

此前，研究人員開發了一種表面，其特徵是毫米級的波峯和波谷，且波峯和波谷之間的角度較小。最新研究中，他們在平坦的波谷上塗了一層僅600微米厚的氧化石墨烯薄膜，結霜減少了100%。新表面由微小的凸起組成，波峯之間的距離為5毫米。

氧化石墨烯能夠吸附水蒸氣，並將水分子限制在其結構內。因此，氧化石墨烯層就像一個容器，可以防止水蒸氣結冰。當氧化石墨烯與宏觀紋理表面結合時，就能在高過飽和狀態下長時間抵抗結霜。這種混合表面成為一個穩定、持久、無霜的區域。

與其他先進的防霜表面相比，新方法顯然更勝一籌。超疏水（防水）和注有潤滑劑的表面可在5小時內阻止5%—36%的霜凍形成，而新表面可在長達160小時內阻止100%的霜凍形成。