飛機積冰是指飛機穿過含有過冷卻水滴的云雨層中，當(dāng)機體表面溫度小于0℃時，機身表面積聚冰層的現(xiàn)象。其主要由云中過冷云滴或降水過程中的雨滴與機身碰撞后凍結(jié)而形成，或直接由水汽在機體表面凝華而成。目前對于飛機積冰的處理一般有2種，一是開啟防冰系統(tǒng)；二是加強積冰監(jiān)測。但是卻無法從根本上消除隱患，因此仍然是飛行者的一大心病。若是能將飛機表面同樣設(shè)計成超疏水結(jié)構(gòu)，想必這個困擾許久的難題便能迎刃而解，無奈總是理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感，對于高空飛行這樣類似的極端天氣，目前很少有相關(guān)工作研究偏離標(biāo)準(zhǔn)大氣條件時對超疏水表面的抗?jié)裥阅苡绊�。對此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Dimos Poulikakos等研究工作者結(jié)合相關(guān)物理學(xué)，發(fā)現(xiàn)了以前未曾探索的基于冷凝的穿刺機理，并有望借助新發(fā)現(xiàn)設(shè)計在極端條件下依然具有超疏水性能的材料。該工作以“Superhydrophobic surfaces for extreme environmental conditions”為題發(fā)表于《PNAS》雜志

為研究超疏水樣品在極端環(huán)境條件下對沖擊水滴的疏水性，研究人員合成了2種低表面能紋理涂層：單層粗糙度涂層、多層粗糙度涂層。圖1分別顯示環(huán)境壓力（p）為95KPa/0.1KPa下液滴撞擊多層超疏水表面的圖像，全部參數(shù)如圖1E所示，可以將水滴沖擊分為3個區(qū)域：穿刺區(qū)、總反彈區(qū)和一個過渡區(qū)，并且環(huán)境壓力對結(jié)果影響最大。

圖1 不同大氣條件下，液滴撞擊具有多層表面結(jié)構(gòu)的超疏水表面

為探索不同的刺穿機制，文章使用倒置顯微鏡和高速攝像機觀察撞擊過程中液滴-表面的相互作用。圖2為水滴撞擊單層超疏水表面擴散和反沖的圖像（A：大氣壓/適度潮濕；B：中等真空/干燥；C：中等真空/潮濕）：3個不同環(huán)境條件下分別發(fā)生部分刺穿、液滴反彈與液滴刺穿，這2種情況的區(qū)別在于，在刺穿情況下，液滴彎月面穿透表面的環(huán)形區(qū)域更后暗，表明有更多的空氣被排出（視頻1）。

圖2 低速沖擊圖像

視頻一

低壓低濕度下的穿刺機理

先前的工作提出的機理是水錘效應(yīng)和撞擊前液滴下方壓力積累導(dǎo)致的液滴曲率增加。對于前者，中間空氣層的存在可能減弱撞擊時形成的任何沖擊，而對于后者，去除空氣層可以抑制液滴變形并防止刺穿，在減壓下刺穿的可能性增加，但是并沒有得到證實。為了闡明穿刺嚴(yán)重程度增加與環(huán)境壓力降低之間的關(guān)系，圖3顯示，不同環(huán)境壓力（p）下水滴沖擊形成的凹痕深度不同，且差異非常明顯，因此驗證上述猜測。

圖3 基于壓力的穿刺機理分析

機理在手，辦法全有

新機制的發(fā)現(xiàn)也為研究人員設(shè)計超疏水表面成為可能。研究人員在透明聚氨酯丙烯酸酯（PUA）微柱上噴涂含有疏水氣相二氧化硅納米粒子(HFS)的乙醇溶液，得到不影響微紋理整體形貌的均勻亞微米特征層，圖4A顯示，在中等真空/干燥條件下，液滴完全反彈，表明添加納米紋理有助于減輕基于壓力的影響；而在中等真空/潮濕條件下時（圖4B），結(jié)果相似，證明該納米結(jié)構(gòu)有助于限制刺穿，實現(xiàn)超疏水。