【仿生應用】向大自然學習,利用仿生結構除霜

■結冰及結霜長久以來一直是困擾人類的一大問題,不但讓我們生活不方便,甚至會危及安全或造成財物的損失。

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(a)利用電子顯微鏡拍攝的仿生結構圖 (b)(c)利用高速攝影機拍攝水珠在仿生結構表面的行為

作者|方程毅

結冰及結霜帶給人們的困擾可以說是不勝枚舉。根據研究,在冬天有40%的交通事故與積雪或結冰造成路面濕滑有關。不僅交通安全會受到影響,供電系統及訊號傳輸也會因為結冰或結霜而被迫中斷,2008在中國南方就因為降雪量太大,厚重的積雪造成許多電線桿倒塌,共計884座變電所及184,000支高壓電塔受影響,損失高達一千五百億人民幣。更尤甚者,飛機引擎的扇葉結冰甚至有可能造成空難,當飛機在高空中飛行時會經過含有低於熔點過冷水珠(supercooled water)的雲層,這些水珠便會在飛機上凝固,嚴重影響飛航安全。2009年美國大陸航空(Continental Airlines)編號3407的班機便因為除霜不及在水牛城(Buffalo)失事墜毀,造成50人死亡。風力發電也是另一個受害者,扇葉上的結霜可以讓發電效率減少將近50%,厚重的冰也使扇葉重量分布不均,造成扇葉更劇烈的震動而減少其壽命。

因此,如何讓材料表面較不容易結冰或結霜一直是科學家長久以來希望解決的問題。傳統防止材料在表面結冰結霜的方法是利用電熱法(electrothermal method)使材料表面溫度高於熔點,雖然有效,但耗費的能源與成本過高。另一種方法是在材料表面塗上讓凝固點下降的防凍劑(freezing point depressants),但這個方法通常不持久,必須時常補充,更不利的是,防凍劑多半有毒,雖然有效,但對我們的大自然卻不是件好事。

因此科學家們想出各種更環保更節能的做法,其中之一便是利用仿生結構(bio-inspired structure),使水在低於攝氏零度時保持過冷狀態數分鐘甚至數小時之久不結冰。防止水珠在材料表面結霜的原理是利用特殊結構將空氣”困”在材料表面,讓材料表面呈現超疏水性(superhydrophobic surfaces),水不容易附著在表面,自然也就降低了結冰的機率,自然界中蓮花的葉子及水黽科動物的腳皆有這種特殊結構,使水珠在結冰前就離開材料表面。

圖(a)便是利用電子顯微鏡拍攝的仿生結構表面,細小的孔洞就是讓材料表面具超疏水性的功臣,利用這種結構可以讓水珠在材料表面的接觸角(contact angle)高達150度,也降低了水珠與材料表面接觸的面積,也由於有空氣被困在仿生的微結構中,水珠更容易在材料表面滑動,圖(b)及(c)便是在高速攝影機下水珠在仿生結構表面的行為,在圖中可以清楚看出水珠迅速聚集,而不是散開在表面,因此只要稍微傾斜,水珠便會輕易滑落。但防止水珠留在表面還不夠,因為若是溫度夠低,水珠仍然會在表面凝固。因此,科學家更希望冰在材料表面的附著性降低,豬籠草開口處的表面便有這種特性。科學家在仿生的孔洞微結構中引入雨水不互溶的全氟有機物(perfluorinated fluid)作為潤滑劑,這種有機溶劑會讓冰較不容易附著在材料表面,這種全氟有機物與孔洞微結構的非常穩定,在實驗室中經過150次重複凝固及融化的測試之後依然保有原本的特性。不僅如此,這種結構為透明且不透水,也能抵抗一定程度的壓力,能應用在較嚴峻的環境。

除霜及除冰除了做表面結構外,還有其他許多面向值得探討,例如:冰如何成核、如何抑制冰在材料表面成核成長或是哪些機制讓冰在材料表面結冰等等。投入這項研究許久的中國科學院化學研究所的王健君教授表示:「這些問題都已存在許久,有些甚至已經被研究超過150年,利用仿生結構減少水在材料表面結冰的研究提供了一個平台讓科學家們能夠系統性地看待這些問題。希望往後能有更多更深入的研究。」

參考資料:
1. http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=34823.php
2. Jianyong Lv, Yanlin Song, Lei Jiang, and Jianjun Wang, “Bio-Inspired Strategies for Anti-Icing” ACS Nano, 2014,8, 3152.
延伸閱讀:
【電腦科學】那些果蠅教電腦的事
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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。
責任編輯:Kerina Huang

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