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Inhibition of Defect-Induced Ice Nucleation, Propagation, and Adhesion by Bioinspired Self-Healing Anti-Icing Coatings

结冰 涂层 成核 材料科学 粘附 复合材料 冰核 冰的形成 化学工程 纳米技术 气象学 化学 地质学 大气科学 有机化学 物理 工程类
作者
Shu Tian,Ruiqi Li,Xinmeng Liu,Jiancheng Wang,Junyu Yu,Sijia Xu,Yunqing Tian,Jing Yang,Lei Zhang
出处
期刊:Research [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:6: 0140-0140 被引量:74
标识
DOI:10.34133/research.0140
摘要

Anti-icing coatings on outdoor infrastructures inevitably suffer from mechanical injuries in numerous icing scenarios such as hailstorms, sandstorms, impacts of foreign objects, and icing–deicing cycles. Herein, the mechanisms of surface-defect-induced icing are clarified. At the defects, water molecules exhibit stronger adsorption and the heat transfer rate increases, accelerating the condensation of water vapor as well as ice nucleation and propagation. Moreover, the ice–defect interlocking structure increases the ice adhesion strength. Thus, a self-healing (at −20 °C) antifreeze-protein (AFP)-inspired anti-icing coating is developed. The coating is based on a design that mimics the ice-binding and non-ice-binding sites in AFPs. It enables the coating to markedly inhibit ice nucleation (nucleation temperature < −29.4 °C), prevent ice propagation (propagation rate < 0.00048 cm 2 /s), and reduce ice adhesion on the surface (adhesion strength < 38.9 kPa). More importantly, the coating can also autonomously self-heal at −20 °C, as a result of multiple dynamic bonds in its structure, to inhibit defect-induced icing processes. The healed coating sustains high anti-icing and deicing performance even under various extreme conditions. This work reveals the in-depth mechanism of defect-induced ice formation as well as adhesion, and proposes a self-healing anti-icing coating for outdoor infrastructures.
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