化學(xué)所在防冰表面材料研究方面取得進(jìn)展

　　冷表面結(jié)冰/霜是常見的自然現(xiàn)象，經(jīng)常給人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)帶來諸多不便，甚至?xí)劤蔀?zāi)難性事故。在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所綠色印刷院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王健君課題組研究人員長期致力于防冰材料研究，在三類防冰表面研究中取得了一系列進(jìn)展：（1）對冷凝水超低黏附無冰可結(jié)表面（Chem. Commun. 2013, 49, 4516-4518；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4265-4269；（2）超低冰黏附表面（ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 6998–7003；Small 2014, 10, 4693–4699）；（3）過冷水成核變冰可調(diào)生物表面（Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201600496）。

　　材料表面離子對過冷水異相成核變冰的影響是諸多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中的核心問題，例如碘化銀晶體在人工降雨/降雪中的作用機(jī)制、器官的低溫冷凍保存過程中離子的跨膜行為對過冷水成核變冰的影響、各種離子對冰川形成和消融的作用以及大氣中荷電分子和氣溶膠表面離子對天氣和氣候的影響等。

　　最近他們與北京大學(xué)科研人員合作，利用聚電解質(zhì)刷表面具有可置換的抗衡離子的特性，研究了材料表面的離子對過冷水成核變冰的影響。他們首次發(fā)現(xiàn)了離子特異性對過冷水成核變冰的作用，即過冷水成核變冰的Hofmeister效應(yīng)。通過改變聚電解質(zhì)刷表面抗衡離子的種類和濃度，過冷水成核變冰的溫度窗口可達(dá)7.8 oC。分子動(dòng)力學(xué)模擬分析發(fā)現(xiàn)，聚電解質(zhì)表面的抗衡離子通過控制界面水的動(dòng)力學(xué)行為和靜態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對過冷水成核變冰的調(diào)控。該發(fā)現(xiàn)對離子參與的過冷水成核變冰行為提供了理論指導(dǎo)，并拓展了低冰黏附防冰表面材料的研究。相關(guān)研究成果發(fā)表在Science的子刊《科學(xué)進(jìn)展》上（Tuning ice nucleation with counterions on polyelectrolyte brush surfaces, Science Advances 2016, 2，e1600345）。

圖1 過冷水在具有不同抗衡離子的聚電解質(zhì)刷表面的成核變冰行為

圖2 聚電解質(zhì)刷表面過冷水成核變冰行為的Hofmeister效應(yīng)