化学所在防冰表面材料研究方面取得进展

　　冷表面结冰/霜是常见的自然现象，经常给人类生活和生产活动带来诸多不便，甚至会酿成灾难性事故。在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，中科院化学研究所绿色印刷院重点实验室王健君课题组研究人员长期致力于防冰材料研究，在三类防冰表面研究中取得了一系列进展：（1）对冷凝水超低黏附无冰可结表面（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）过冷水成核变冰可调生物表面（Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201600496）。

　　材料表面离子对过冷水异相成核变冰的影响是诸多实际应用领域中的核心问题，例如碘化银晶体在人工降雨/降雪中的作用机制、器官的低温冷冻保存过程中离子的跨膜行为对过冷水成核变冰的影响、各种离子对冰川形成和消融的作用以及大气中荷电分子和气溶胶表面离子对天气和气候的影响等。

　　最近他们与北京大学科研人员合作，利用聚电解质刷表面具有可置换的抗衡离子的特性，研究了材料表面的离子对过冷水成核变冰的影响。他们首次发现了离子特异性对过冷水成核变冰的作用，即过冷水成核变冰的Hofmeister效应。通过改变聚电解质刷表面抗衡离子的种类和浓度，过冷水成核变冰的温度窗口可达7.8 oC。分子动力学模拟分析发现，聚电解质表面的抗衡离子通过控制界面水的动力学行为和静态结构，实现对过冷水成核变冰的调控。该发现对离子参与的过冷水成核变冰行为提供了理论指导，并拓展了低冰黏附防冰表面材料的研究。相关研究成果发表在Science的子刊《科学进展》上（Tuning ice nucleation with counterions on polyelectrolyte brush surfaces, Science Advances 2016, 2，e1600345）。

图1 过冷水在具有不同抗衡离子的聚电解质刷表面的成核变冰行为

图2 聚电解质刷表面过冷水成核变冰行为的Hofmeister效应