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(lái)諸多不便，甚至?xí)劤蔀?zāi)難性事故。在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)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(zhǎng)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(duì)冷凝水超低黏附無(wú)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(guò)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(duì)過(guò)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(wèn)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(guò)程中離子的跨膜行為對(duì)過(guò)冷水成核變冰的影響、各種離子對(duì)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(duì)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(duì)過(guò)冷水成核變冰的影響。他們首次發(fā)現(xiàn)了離子特異性對(duì)過(guò)冷水成核變冰的作用，即過(guò)冷水成核變冰的Hofmeister效應(yīng)。通過(guò)改變聚電解質(zhì)刷表面抗衡離子的種類和濃度，過(guò)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(guò)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(duì)過(guò)冷水成核變冰的調(diào)控。該發(fā)現(xiàn)對(duì)離子參與的過(guò)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(guò)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(guò)冷水成核變冰行為的Hofmeister效應(yīng)