每到寒冷的冬季，飞机延误率常常大幅度升高，其中一个重要原因——机场的工作人员要给飞机喷洒防冰液，以除去覆盖在飞机表面的积冰。然而，除冰剂的效果通常只能维持10-15 分钟，即便喷涂防冻液，也只能维持30-40分钟，在等待起飞的过程中可能需要反复除冰。遇到雪天，成本还会增加，平均一架飞机的清理成本超过万元。

根据分析机构的预测，到2020年，全球飞机除冰的市场规模可能达到13亿美元。更可怕的是，据统计，每年我国因为不除冰或除冰不当而导致的航空不安全事件达40~50起，严重威胁乘客和机组人员的生命安全。当无聊的坐在飞机上等待除冰时，你是否想过，为什么去除飞机表面的冰是如此困难？我们又能否发明一种易除冰的材料，一劳永逸的解决这个问题？

现有的疏冰材料（icephobic materials）常基于聚二甲基硅氧烷（PDMS），这种柔韧的硅胶材料与冰有较低的黏附性，同时也有比较理想的润滑性和较低的表面能，这些特性可以实现较低的单位冰黏附强度。然而，对于飞机，船体，风力发电机叶片等比较大的表面，表观冰黏附强度仍然非常大，换言之，移除其表面的积冰仍需要很大的力。近日，密歇根大学安娜堡分校的Michael Thouless 教授和Anish Tuteja教授团队另辟蹊径，利用通用塑料/硅胶+塑化剂的组合制成低界面韧性的材料，在大面积积冰的表面实现了超低表观冰黏附强度。只需极小的力，或仅凭自身重力就可以移除材料表面大面积的冰。相关文章“Low–interfacial toughness materials for effective large-scale deicing”已于近期发表在《Science》。

图1.从硅胶和聚丙烯上剥离冰每个单位宽度所需的力

通用塑料材料如聚氯乙烯（PVC），聚酰胺（PA），聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（PTFE）常常体现出较高的单位冰黏附强度（> 200 kPa），此前并不被看好有良好的除冰性能。如图1中聚丙烯（polypropylene PP），随着积冰长度的增加，推动积冰所需的力也快速增加，然而一旦冰的长度超过临界值（Lc），推动单位宽度积冰所需的力却不再变化，最终的界面韧度稳定在1.92 J/m2。在疏冰硅胶材料（Silicone B）中，即使有着更低的冰黏附强度（=30 kPa），随着积冰长度增加，所需推动单位宽度的冰所需的力却持续线性的增加。对于大尺寸的表面，其表面与冰的界面韧度可高于8.82 J/m2。主要原因是硅胶材料拥有较好的界面韧性，使积冰在表面小幅移动时需要克服更多阻碍，随着材料表面的扩大最终积累形成牢固的冰-材料界面。因此，尽管冰黏附性在较小的表面更重要，但对于大尺寸的积冰，如大飞机的表面，降低冰-材料界面韧性才是设计易除冰表面的重点！

“塑料+增塑剂”，大面积除冰轻松搞定！

在塑料制品中加入塑化剂可以使材料变得更柔软，我们身边的塑料袋，保鲜膜都是这样制成的。密歇根大学的科学家们敏锐的意识到，塑化剂的加入可以降低通用塑料的界面韧性，因此可能进一步降低推动表面积冰所需的力。如图2，通过在PVC 中加入中链甘油三酯油（medium-chain triglyceride oil MCT），界面韧度可以进一步降至0.2 J/m2。这一趋势也与材料厚度有关，因为更薄的表面可以更大限度的减少材料基体性能的影响。而在PDMS中加入硅油可形成低界面韧性的LIT PDMS，可以将硅胶材料的低冰黏附强度和低界面韧性结合起来，制成大面积易除冰的表面。

图2.对界面韧性的调控

通过在铝板上涂敷低界面韧性的LIT PDMS涂层，0.95 m×0.95 m×0.01 m的积冰可以仅凭自身重力从表面剥离，在这一尺度上，表观冰黏附强度可低至0.09 kPa，远低于常见疏冰材料（< 100 kPa）。

作者通过重新审视和研究冰在材料表面黏附的原因，调整了人们对于解决这一问题的思路。进而运用商品化的原材料，成功开发了大面积易除冰材料。这项技术的相关专利已经被授权给HygraTek LLC公司。或许在不久的将来，我们将不再需要在冬天频繁清理汽车挡风玻璃上的积冰，或者可以省去在冬季航班起飞前等待除冰的过程了。