過度積冰會對各種基礎設施能造成致命性破壞，傳統的除冰方法如電加熱或者使用除冰劑不僅耗能而且會對環境產生重要危害。為此，近年來，各種具有低冰黏附力（小于100 kPa）的涂層被開發出來。然而在某些功能性基礎設施中，比如太陽能面板、玻璃窗、傳感器的表面不僅需要低冰黏附力，而且需要高的光透明性。積冰將會阻隔光線的射入這些表面從而導致相應設施的失效。為了持續保護這些基礎設施，涂層又必須具有一定的機械耐用性，而自愈合是實現機械耐用性的一個有效的方法。為滿足這些要求，近日，挪威科技大學納米力學實驗室（（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml））基于分子設計及動力學模擬（圖1），開發出了具有快速自愈合、高透明度和可回收性的疏冰涂層。該文章以“Ultrafast self-healing and highly transparent coating with mechanically durable icephobicity “為題發表于Applied Materials Today （https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100542）。

圖1快速自愈合透明疏冰涂層的分子設計及自愈合機制
 

研究表明不僅是分子鏈的柔性，氫鍵位點的濃度同樣對所制備彈性體的自愈合速率有著重要的影響。氫鍵位點濃度越高，容易形成氫鍵從而限制了分子鏈的移動，進而降低愈合速率，但同時能夠增加斷裂處形成新的氫鍵的概率，反而能增加愈合處的強度。該研究通過優化分子鏈和氫鍵濃度，制備出了具有超快速的自愈合能力彈性體，能夠在室溫下，45min之內恢復80%以上的拉伸強度（圖2）。實驗和分子動力學模擬揭示了快速自愈合原理。通過XPS表征，研究者發現斷裂表面的自由氫鍵位點才是決定愈合速率的關鍵，具有濃度較高的自由氫鍵位點的樣品能夠獲得最高的自愈合速率（圖3）。

圖2所制備彈性體的快速自愈合能力。

 
圖3XPS揭示了快速自愈合原理。
 

 
由于采用柔性很高且疏水的聚二甲基硅烷（PDMS）作為鏈段，所制備彈性體具有較低的彈性模量和較高的水接觸角（圖4a-c）。當加載切應力于涂層表面的冰時（圖4d），低模量的涂層和高模量的冰之間就會形成應變不匹配，從而在界面處產生缺陷，進而促進冰的剝離。由于低模量和疏水性，涂層具有較低的冰黏附力（38.3?±?0.5?kPa）。更重要的是，涂層的快速自愈合能力使其獲得出色的機械耐用性：在20次結冰/除冰循環后，甚至是在切割愈合后，涂層依然能夠保持在50 kPa左右的冰黏附力。涂層還展現出了超高的透明度（圖5a，b）和可回收性（圖5c）。

圖4所制備涂層的潤濕性及疏冰性
 

圖5所制備涂層的潤濕性及疏冰性