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时间:2019年12月10日 09:31编辑:怯声怯气 社会

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皇冠现金投注网下载:另外,如果雨滴撞击表面时的速度过快,或者环境湿度较高时导致水蒸汽直接在固体表面凝结,还会导致另一种更为糟糕的情况,那就是撞击到固体表面的过冷水滴得以进入微观结构之间原本由空气占据的孔隙。此时虽然水滴在固体上的接触角仍然可以接近180o,但水滴流动时的摩擦力却大大增加,因此当固体倾斜时,液滴不再是迅速流下,而是“依依不舍”地留在固体表面[4]。不难想象,当冻雨来临时,这样的表面不仅很难起到防冰效果,而且由于粗糙不平的表面增加了冰和固体之间的黏附力,表面上的冰反而更加难以清除。

  那么如果过冷水滴落地固体表面后,在还没来得及凝固之前就迅速流走,不就有可能实现永不结冰的目标了吗?

  当我们把一滴水放在固体表面上时,水滴的重力会驱使液滴在固体表面铺展开形成一层薄薄的液膜。但决定液滴命运的还有另外两种重要的力量:首先是水分子与固体表面分子之间的分子间作用力,它和重力类似,会使得水在固体表面铺展开;其次是水分子之间的分子间作用力,它的效果刚好相反,它会使得水滴尽量保持原有的球形。

  一旦超疏水表面形成了冰层,我们往往不得不通过机械力等手段将其清除,而这很有可能造成一个雪上加霜的结果,那就是其表面的微观结构在除冰过程中遭受部分破坏,这同样可以使得水滴进入微观结构之间的空隙,导致其防冰能力大打折扣。例如有研究表明,超疏水表面经过20次左右的结冰-除冰循环后,表面与冰层之间的黏附力就会显著增加[6]。

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一旦超疏水表面形成了冰层,我们往往不得不通过机械力等手段将其清除,而这很有可能造成一个雪上加霜的结果,那就是其表面的微观结构在除冰过程中遭受部分破坏,这同样可以使得水滴进入微观结构之间的空隙,导致其防冰能力大打折扣。例如有研究表明,超疏水表面经过20次左右的结冰-除冰循环后,表面与冰层之间的黏附力就会显著增加[6]。

  但很快,研究人员就困惑地发现,在后续的一些测试中,超疏水表面却常常“败走麦城”,其防冰能力并不比普通的固体表面强太多。为什么会出现这种矛盾的情况呢?

  这些被称为“主动防冰”的手段虽然行之有效,但弊端也很明显:机械除冰费时费力,而且操作者还会面临潜在的危险,例如从高处滑落或者摔伤。在2008年的南方雪灾中,湖南省的周景华、罗长明、罗海文三位电力职工就是由于在为输电线铁塔除冰过程中铁塔突然倒塌而不幸光荣殉职;加热固体表面需要不小的能源投入;而利用化学试剂除冰则有可能导致地表径流和地下水受到污染。

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  因此,近些年来,人们提出了一个全新的构想:能否设计这样一种固体材料,它的表面即使没有人为的干预,暴露在低温下也不会附着冰层,从而一劳永逸地解决结冰带来的种种烦恼?

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  如果我们仔细观察就会发现,落在荷叶上的水滴不仅总是会保持球形,而且当微风吹过,叶片略有倾斜时,水滴很快就会滚落。相反,落在玻璃上的水滴不仅会铺展开,而且只有我们大幅度倾斜玻璃时,水滴才会流下。

  那么如果过冷水滴落地固体表面后,在还没来得及凝固之前就迅速流走,不就有可能实现永不结冰的目标了吗?

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  造成固体表面结冰的其中一种原因是冻雨。冻雨是非常令人头疼的一种自然灾害。2008年给我国南方造成严重人员和财产损失的雪灾中,有不少损失就来自冻雨带来的冰冻。发生冻雨时,温度低于0oC的水滴,即所谓过冷水滴,从空中降下,遇到固体表面就会迅速结冰。

  正是因为结冰对人类生活带来的严重威胁,每逢冬季来临,保护重要的固体表面免受这些“不速之客”的困扰总是至关重要的任务。

  如果我们仔细观察就会发现,落在荷叶上的水滴不仅总是会保持球形,而且当微风吹过,叶片略有倾斜时,水滴很快就会滚落。相反,落在玻璃上的水滴不仅会铺展开,而且只有我们大幅度倾斜玻璃时,水滴才会流下。

  另外,如果雨滴撞击表面时的速度过快,或者环境湿度较高时导致水蒸汽直接在固体表面凝结,还会导致另一种更为糟糕的情况,那就是撞击到固体表面的过冷水滴得以进入微观结构之间原本由空气占据的孔隙。此时虽然水滴在固体上的接触角仍然可以接近180o,但水滴流动时的摩擦力却大大增加,因此当固体倾斜时,液滴不再是迅速流下,而是“依依不舍”地留在固体表面[4]。不难想象,当冻雨来临时,这样的表面不仅很难起到防冰效果,而且由于粗糙不平的表面增加了冰和固体之间的黏附力,表面上的冰反而更加难以清除。

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  一旦超疏水表面形成了冰层,我们往往不得不通过机械力等手段将其清除,而这很有可能造成一个雪上加霜的结果,那就是其表面的微观结构在除冰过程中遭受部分破坏,这同样可以使得水滴进入微观结构之间的空隙,导致其防冰能力大打折扣。例如有研究表明,超疏水表面经过20次左右的结冰-除冰循环后,表面与冰层之间的黏附力就会显著增加[6]。

  你挣扎着站起来,庆幸自己身板结实,摔了一跤并无大碍,但昨晚刚洗干净的衣服却就此“报销”。

  带着这一目标,研究人员到大自然中寻找灵感,他们很快注意到一个值得效仿的对象:荷叶。

皇冠现金投注网下载:当一滴水落在荷叶表面上时,由于微观结构的限制,水滴无法渗透进其中的空间,因此水滴表面有一部分会与空气这种极其疏水的“固体”相接触。而荷叶表面覆盖着一层蜡质,它本身也有不错的疏水能力。因此二者“强强联手”的结果,就是荷叶表面展现出极强的疏水能力。不仅如此,疏水性的增加还带来了另一份“大礼”,那就是水滴流动时所受的摩擦力也随之减小。像荷叶这样的表面,不仅固体稍有倾斜液滴就会滚落而下。而且当高处落下的液滴撞击到表面上时,还有可能再次弹起[1-4]。

  如此“祸不单行”的场景或许有些夸张,但结冰给我们生活的方方面面带来诸多不便,甚至造成严重的财产和人员伤亡,却是不争的事实。如在2008年发生在我国南方各省的雪灾中,大量的电线、铁塔等因结冰不堪重负而倒塌,造成了严重的电力供应和通讯中断等。

  目前的除冰或防冰方法无非以下几种:用单纯的机械力将冰层敲碎破除;加热固体表面使冰融化;喷洒盐、醇等化学物质来降低水的凝固点等。

  这一目标初听起来像是天方夜谭,但如果仔细分析一下却会发现其实并非完全不可能。当然,在开始设计这种材料前,我们首先需要明白,好端端的固体表面为什么突然就附着了厚厚的一层冰呢?

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  要实现这一点,我们首先要调整固体表面的化学结构,削弱固液分子之间的分子间作用力。在常见的固体材料中,塑料、橡胶等有机高分子材料的疏水性通常要优于金属以及陶瓷、玻璃等无机非金属材料,而含有氟、硅等元素的高分子材料更是有着超乎寻常的疏水能力。例如大名鼎鼎的聚四氟乙烯,也就是经常被用于不粘锅涂层的特氟龙,水在其表面的接触角在130o左右。

  你挣扎着站起来,庆幸自己身板结实,摔了一跤并无大碍,但昨晚刚洗干净的衣服却就此“报销”。

  当科学家们将荷叶表面放到电子显微镜下观察时,终于揭开了谜底:荷叶的表面并非光滑,而是布满了许多直径、高度和间距都只有十几到几十微米的小柱子。

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