液滴表面图像显示了冻结过程（顶行），在这个过程中，当液滴冻结时在液滴的外部暂时冷凝。接下来的两行显示用新的层状材料涂覆在表面上时，液滴出现融化。在中间一排，液滴在冻结后立即被涂层加热，虚线显示顶部的冻结层刚刚被下面融化。底部排显示了较慢的解冻过程。在相同的条件下，液滴在没有新涂层的情况下保持冻结。图片来源：Varanasi研究小组
从飞机机翼到空中的电力线缆，再到风力涡轮机的巨型叶片，冰的积聚会引起材料性能受损，以至于导致各种灾 难性的问题。但防止这种积聚通常需要能量密集的加热系统或对环境有害的化学溶剂。现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种完全被动的，以太阳能方式来对抗积冰的新系统。
这套系统非常简单，基于三层材料，可以施加或甚至喷涂到待处理的表面上。这种材料可以收集太阳辐射，将太阳能转化为热能，并将热量散布到周围，使得熔化不仅限于直接暴露在阳光下的区域。一旦开始应用，就不需要额外的电源。它甚至可以在夜间使用人工照明进行除冰工作。
今天，麻省理工学院机械工程系副教授Kripa Varanasi和博士后Susmita Dash以及Jolet de Ruiter，在《科学进步》杂志上发表了一篇新论文，描述了这种新系统。
Varanasi说：“结冰是飞机、风力涡轮机、电力线缆、海上石油平台和许多其它地方的主要问题。”处理结冰的传统方法是除冰喷雾或对物体进行加热，但这些都或多或少存在问题。
太阳的启发
用于飞机和其他应用的除冰喷雾通常使用乙二醇，这是一种对环境有害的化学物质。由于成本和安全的原因，航空公司不喜欢使用主动加热装置。Varanasi和其他研究人员已经研究了使用超疏水表面来被动地防止结冰，但是这些涂层可能会由于结霜而受损，结霜往往会填充材料表面，影响具有脱冰性能的微观纹理。
作为另一条研究路线，Varanasi和他的团队考虑了太阳发出的能量。他说，他们希望看到“是否有一种方法捕捉热量，并以被动的方式加以利用”。
研究小组发现，不需要产生足够的热量来融化形成的大部分冰。只需要边界层，也就是冰与表面相遇的地方，融化成一层薄薄的水，这样表面就会足够光滑，所以任何附着的冰都会马上滑落。这是团队用他们开发的三层材料所达到的效果。
多层材料
这种材料的顶层是吸收体，它吸收进入的阳光并将其转化为热能。Varanasi说，研究小组使用的材料效率很高，吸收了95%的入射阳光，再辐射时只损失了3%。
原则上，顶层本身可以于防止霜的形成，但这时有两个限制：它只能在阳光直射的区域工作，并且大部分热量将在基材材料中损失，例如，飞机机翼或电力线缆，这个结果并不会有助于除冰。
因此，为了补偿这种局部化的加热，研究小组增加了一层扩散层，这是一层非常薄的铝层，只有400微米厚，由其上的吸收层加热，这层材料可以非常有效地将热量进行横向扩散，以覆盖整个表面。Varanasi说，这种材料 “具有足够快的热响应，使得加热过程比冻结过程更快。”
最后，底层只是泡沫绝缘层，以防止任何热量向下辐射，并将热量保持在表面需要的地方。
“除了被动除冰，光热阱会保持高温，从而完全防止积冰，”Dash说。
这三层材料都是由廉价的商业材料制成，然后结合在一起，并且可以将这种材料结合到需要保护的表面。研究人员说，对于一些应用，材料甚至可以一层一层喷涂。
最后，研究小组进行了广泛的测试，包括对材料进行室外测试和详细的实验室测量，用以证明该系统的有效性。
Varanasi说，这个系统可以找到更广泛的商业用途，如防止房屋、学校和其他建筑物的屋顶结冰。研究小组计划继续研究该系统，测试它的寿命和最佳的应用方法。但这个系统基本上可以立即应用于某些用途，特别是固定应用场所。
