本研究由Liangliang Cao、Andrew K. Jones、Vinod K. Sikka、Jianzhong Wu和Di Gao等人完成，主要作者分别来自University of Pittsburgh的Department of Chemical and Petroleum Engineering、Ross Technology Corporation以及University of California, Riverside的Department of Chemical and Environmental Engineering。该研究以Letter形式发表于*Langmuir*期刊，文章于2009年10月5日在线发表，DOI为10.1021/la902882b。
这项研究属于表面科学与材料工程领域，聚焦于超疏水（superhydrophobic）表面的防冰（anti-icing）性能。超疏水表面因其对水滴具有极高的接触角和极小的接触角滞后而受到广泛关注，这一特性源于水与粗糙表面之间形成的气垫层。受荷叶自清洁效应的启发，研究者已经开发出多种制备超疏水表面的方法，但将这类表面用于防止过冷水撞击后结冰的研究在此之前鲜有报道。自然界中，过冷水撞击固体表面所形成的“冻雨”或“大气结冰”会对道路、电力线路和飞机机翼等造成严重危害。因此，作者开展本研究的目的是系统地考察超疏水涂层在过冷水冲击条件下是否能够阻止冰的形成，并进一步揭示表面结构参数对防冰性能的影响机制。
在实验流程方面，作者首先合成了丙烯酸聚合物树脂。该树脂以苯乙烯（styrene）、甲基丙烯酸丁酯（butyl methacrylate）和甲基丙烯酸缩水甘油酯（glycidyl methacrylate）为单体，以偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，在甲苯中通过自由基聚合反应制备。所得聚合物的数均分子量约为18000 g/mol，重均分子量约为48000 g/mol。随后，将该丙烯酸聚合物与有机硅树脂（Dow Corning 840树脂）混合制备聚合物粘结剂（polymer binder），并在室温或80°C下交联固化。固化后的粘结剂本征水接触角约为107°。接着，研究者将不同粒径（20 nm、50 nm、100 nm、1 μm、10 μm和20 μm）的有机硅烷改性二氧化硅颗粒与聚合物粘结剂、甲苯和丙酮混合，通过喷涂法涂覆于铝板表面，并在室温下固化12小时。表面改性后的二氧化硅颗粒本征水接触角约为110°。涂层的表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征，化学成分通过能量色散X射线光谱（EDX）确认，结果显示涂层不含氟。水接触角通过VCA-Optima液滴形状分析系统测量，包括前进角、后退角和滑动角。防冰性能测试分为实验室模拟和自然环境验证两个部分。在实验室中，将纯净水在-20°C冰箱中储存3小时制备过冷水，同时将涂层铝板和未涂层铝板也置于-20°C环境中。实验时将铝板倾斜约10°，从约5 cm高度以恒定速率将500 mL过冷水倾倒在板面上，通过目视检查判断是否结冰。每种粒径的样品重复实验20次，计算结冰概率。在自然环境验证中，研究者将50 nm颗粒制备的超疏水涂层涂覆于铝板一侧和商用卫星天线的一半表面，另一半保持未处理，在匹兹堡2009年1月的冻雨天气条件下进行户外暴露测试。
研究结果显示，所有由20 nm至10 μm颗粒制备的复合材料均表现出优异的超疏水性，前进角和后退角均大于150°，接触角滞后小于2°。仅由20 μm颗粒制备的复合材料接触角小于150°，滞后约为4°。这表明决定超疏水性的临界粒径在微米尺度。然而，防冰性能测试却呈现出完全不同的粒径依赖规律。由20 nm和50 nm颗粒制备的涂层在20次重复实验中均未发生结冰，结冰概率为零。随着粒径增大至100 nm及以上，结冰概率显著上升。这说明决定防冰性能的临界粒径在纳米尺度，远比决定超疏水性的临界粒径小。SEM和TEM图像显示，20 nm和50 nm颗粒在表面形成较为细小的粗糙结构，而20 μm颗粒则形成明显的微米级突起。基于Cassie-Baxter模型，水与这类超疏水表面接触时，液体主要与气垫接触，只有不到15%的面积与固体颗粒直接接触。当过冷水撞击表面时，冰的形成可能通过与暴露颗粒接触的非均相成核（heterogeneous nucleation）过程发生。作者利用经典非均相成核理论分析了颗粒尺寸对成核自由能垒的影响。在-20°C条件下，冰的临界核半径rc经计算约为21.6 nm。非均相成核自由能垒与均相成核自由能垒之比f随颗粒相对半径r/rc的增大而单调下降。这意味着颗粒越大，成核能垒越低，结冰概率越高。这一理论计算结果与实验观察到的结冰概率随粒径增大而上升的趋势一致。在自然冻雨实验中，涂覆50 nm颗粒超疏水复合材料的铝板一侧几乎没有冰附着，而未处理的一侧完全被冰覆盖。在商用卫星天线上也观察到相同的效果，涂层区域无冰，未涂层区域完全被冰覆盖。
本研究的结论明确指出，超疏水表面的防冰性能并不与其超疏水性直接相关。尽管由微米级颗粒制备的涂层同样表现出超疏水性，但其防冰性能远不如由纳米级颗粒制备的涂层。决定超疏水性和防冰性能的临界颗粒尺寸分别处于微米和纳米两个不同的长度尺度。因此，在缺乏表面微观形貌详细知识的情况下，不能仅凭超疏水性就断定某一表面具有防冰能力。该研究还指出，粘结剂的组成并非唯一决定因素，其他多种聚合物粘结剂可能通过相同机制发挥作用。关键在于认识到决定超疏水性和防冰性能的两个不同长度尺度。
本研究的科学价值在于首次通过直接实验证明超疏水表面能够防止过冷水撞击后结冰，并揭示了颗粒尺寸对防冰性能的非单调影响。这一发现挑战了此前将超疏水性与防冰性直接关联的假设，为理解超疏水表面上的冰成核机制提供了新的理论依据。从应用角度看，该研究提出的纳米颗粒-聚合物复合材料具有制备简单、不含氟、可喷涂等优点，在户外自然冻雨条件下表现出显著的防冰效果，展示了在电力设施、交通道路和航空器等领域的实际应用潜力。
本研究的亮点包括：首次系统比较了不同粒径颗粒制备的超疏水涂层的防冰性能；发现了决定超疏水性和防冰性能的临界粒径分别处于不同长度尺度；利用经典非均相成核理论成功解释了粒径对结冰概率的影响；并通过自然冻雨实验验证了实验室结果的实际适用性。这些成果为通过调节表面多尺度纹理实现防冰超疏水表面的理性设计开辟了新的可能。