霜冻看似平凡，却给航空航天业带来了巨大破坏。石墨烯或将改变这一现状。

每年霜冻都会来临，形成美丽而宁静的风景。当温度降至冰点或以下时，地面等固体表面上就会形成一层薄薄的冰。

当空气中的水蒸气量超过其在特定温度下所能容纳的水蒸气量时，就会形成霜。

霜冻虽然美丽，但也具有潜在的危险。霜冻不仅会让人头疼，还会引发其他严重问题，如车辆传感器受损、冰箱和冰柜的能源效率降低、电线负担增加，从而导致停电并损坏您珍贵的蔬菜和花园。

不仅如此，霜冻还会对飞机造成负面影响，导致失速、控制效率降低、俯仰不稳定，从而导致坠机。霜冻还会改变机翼的空气动力学特性，进而影响飞机起飞，使飞行变得危险甚至无法进行。

虽然钢铁侠中的托尼·斯塔克可以利用他战衣上的冰 对他有利 而对于他的对手来说，这在我们日常生活中是根本不可能实现的。

我们需要的是解决这一价值数千亿美元问题的有效方法，西北大学的工程师们已经找到了解决方案。他们开发了一种从一开始就防止霜冻形成的策略。

实现长期无霜地区

那么，解决方案是什么呢？嗯，NU 工程师发现的解决方案的主要组成部分之一 围绕石墨烯.

石墨烯是从石墨中提取的纯碳，碳是最重要的天然元素之一，也是第四大丰富的天然元素。

这种材料特别以重量轻而闻名。石墨烯厚度仅为一个原子，是已知的最薄化合物。它也非常坚韧，强度约为钢的 100-300 倍。除了柔韧性之外，石墨烯还是最好的电导体，并因其均匀的光吸收而闻名。

所有这些特性使得石墨烯在复合材料、电子、传感器和成像、能源、电信和生物医学技术等领域具有广阔的应用前景。

西北大学的研究人员现在正在使用这种材料来应对霜冻。具体来说，他们使用的是氧化石墨烯 (GO)，这是一种一个半世纪前提出的化合物，近年来已被用作大规模生产石墨烯的潜在起始材料。

这种碳基纳米材料在石墨烯出现之前就已为人所知，它是通过强氧化剂对天然石墨进行化学氧化而产生的。

在新的 根据一项研究，研究中，工程师们发现，改变表面的纹理，然后添加一层薄薄的GO，可以完全防止表面结霜，持续时间长达一周，甚至更长时间。

氧化石墨烯的作用是吸引水蒸气（气态水），然后将其困在结构内，从而有效防止水结冰。当与宏观纹理表面结合时，会导致长时间的高过饱和状态。

这种长达一周的防霜效果比现有的先进防霜表面长一千倍。此外，这种可扩展的新表面设计还能防止划痕、裂纹和污染。

研究人员估计，将这种纹理表面融入基础设施可以帮助企业和政府每年节省数十亿美元的能源效率，并避免维护成本。据该研究负责人、西北大学麦考密克工程学院机械工程助理教授 Kyoo-Chul Kenneth Park 称：

“不必要的霜冻累积是工业、住宅和政府部门关注的一大问题。”

本财年，该大学获得了创纪录的 1.05 亿美元研究经费，比去年增加了 5%。

帕克指出，2021 年德克萨斯州的电力危机造成了高达 195 亿美元的损失，这是冰冻、霜冻和持续 5 天以上的极端寒冷天气的直接结果，影响了 4.5 万户家庭。

“因此，开发在极端环境条件下能够长期稳定的防霜技术至关重要。”

– Park，国际纳米技术研究所和 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所的附属教员

然而，我们不仅需要防霜技术，还需要易于制造和实施的技术。考虑到这一点，研究人员发明了一种混合防霜方法，这种方法耐用、可扩展、易于通过 3D 打印制造，并且可以延缓数周的霜冻。

将叶子的几何形状与氧化石墨烯的吸湿特性相结合

这项新研究实际上是在 Park 团队 2020 年的先前研究的基础上进行的，当时他们发现改变纹理可使霜冻形成减少多达 60%。同时，在表面添加毫米级纹理（优化的锯齿状峰谷系列，如自然界中观察到的）可使霜冻形成减少多达 80%。

对于这一发现，工程师们 受到启发 这与薄荷叶的几何形状有关。正如 Park 当时解释的那样，叶子凸起的部分比凹陷部分（叶脉）更容易形成锋面，而凹陷部分实际上“霜冻更少”。

虽然人们早就注意到了这一点，但还没有解释为什么以及如何发生这种情况。他说：

“我们发现，控制这一点的是几何形状，而不是材料。”

树叶呈波浪状，这意味着霜冻会在凝结作用增强的山顶形成，而在凝结作用受到抑制的山谷中则很少形成霜冻。波浪状表面的山谷中，无论有多少凝结的水都会蒸发，从而形成无霜区。

有趣的是，即使使用吸引水的表面材料，也会观察到相同的结果：当温度低于冰点时，水就会从山谷中蒸发。

利用这些信息，研究小组继续寻找最佳表面纹理，即表面包含数毫米高的峰和谷，中间仅有 40-60 度角。

该表面峰顶上仍形成的薄霜线可以用相当少的能量除霜，并且无需使用表面涂层或霜点较低的液体。

“无霜区域启动除霜过程。因此，它可以减少解决结霜问题所用的材料和能源。”

- 公园

在新的研究中，研究小组在混合物中引入了氧化石墨烯（GO），将其添加到平坦的山谷中，即使在山谷中也能完全减少霜冻的形成。

之所以选择 GO，是因为其具有出色的吸湿性，即材料通过吸收来吸引和保持水分子的能力。GO 的水蒸气吸收率是硅胶的 2 倍。此外，GO 具有通过纳米限制效应抑制插入水分子冻结的内在能力。

新表面还具有微小的凸起，峰与峰之间的距离为 5 毫米。峰与峰之间的谷上覆盖有一层厚度仅为 600 微米的薄 GO。据 Park 介绍：

“氧化石墨烯吸引水蒸气，然后将水分子限制在其结构内。因此，氧化石墨烯层就像一个容器，可以防止水蒸气结冰。”

在宏观纹理表面添加氧化石墨烯有助于表面长时间抵抗高过饱和状态下的霜冻，从而使实验混合表面成为“稳定、持久、无霜区”。

您可以在 YouTube 上观看此技术的演示，该演示发布在 NU 官方频道上：

它显示了霜冻如何在表面的蜂窝状山峰上形成，而平坦的山谷仍然没有霜冻。在视频中，右侧的表面有一层薄薄的 GO。

为了展示该方法的优越性，Park 团队将其与其他先进的防霜表面进行了比较。

与 100 小时内 150% 防霜冻相比，超防水和注有润滑剂的表面只能抵抗 5-36% 的霜冻，而且也只能持续 5 个小时。此外，其他防霜冻表面还容易因划痕或污染而受损，“这会随着时间的推移降低表面性能。”

另一方面，Park 的混合宏观纹理氧化石墨烯表面对此类损坏具有很强的抵抗力，因此可以延长表面的寿命。

目前，由于不同应用的特定需求，市场上还没有“一刀切”的方法。例如，飞机只需要几秒钟的抗冻能力，而电线则需要几天或几周的抗冻能力，因为电线一直在寒冷的环境中运行。

研究人员表示，这项新技术可用于设计飞机机翼和电线，以减少冰粘附，从而大幅降低每年的维护成本。该方法还可以帮助防止能源效率低下，并有助于基础设施在寒冷环境中安全运行。

保护基础设施免受恶劣气候影响

寒冷的气候带来了温暖的毯子、热巧克力和节日的气氛。但与此同时，它也带来了一系列问题，特别是健康问题和基础设施损坏。

冰雪的累积会影响船舶、汽车挡风玻璃、输电线、风力涡轮机和飞机的性能和安全。因此研究人员一直在寻求解决这些问题的方法。

正如我们在最新研究中看到的那样，能够减缓冰生长的表面作为一种经济有效的替代方案，引起了人们的广泛关注。

正如我们今年早些时候所分享的，德雷塞尔大学工程学院的研究人员还发明了自加热混凝土，可以自行清除积雪和冻雨，而无需任何人刮擦、铲除或撒盐，从而避免在三年内对路面造成负面影响。

为了延长道路和其他基础设施的使用寿命并节省维护费用，研究人员将低温相变材料 (PCM) 液体石蜡用于这种自热混凝土。当温度降至 ∼0°C 或 32°F 时，该材料会释放热量并从液体变为固体，从而导致冰逐渐融化。

然后，加拿大的一个研究小组 发达 这种表面结合了隔热和超疏水性的​​特性，可以自行排斥雪。研究小组发现，二氧化硅气凝胶可以最大限度地减少融雪并防止形成粘性冰层，而超疏水性可以减少接触面积并排斥界面融水滴，从而进一步降低雪的粘附强度。

在另一项研究中，中国研究人员 重点 在低温下具有优异的防结冰和防水性能的超疏水表面。与广泛研究的超疏水表面（尤其是其潜在的航空航天应用）不同，这些表面的报道并不多。

为了创建这样的表面，研究人员将方形微柱阵列蚀刻到多壁碳纳米管 (MWCNT)/聚（二甲基硅氧烷） (PDMS) 薄膜上，从而产生三重疏冰性，即使在 -40°C 的温度下也能保持活性。

研究人员认为，这为仿生智能多功能材料在防冰应用领域开辟了新的可能性。

A 对光滑液体注入多孔表面的单独研究 SLIPS 是一种广泛用于减少结冰灾害的有效被动方法，研究人员发现某些特性对于耐久性至关重要。小孔（约 100 纳米）对润滑剂施加强大的毛细管压力，而高孔隙率（66%）可提供较大的润滑剂-液体接触比，这对于耐用的防结冰 SLIPS 特别有利。

四季智能屋顶涂层是另一种让建筑物在冬季保持温暖、在夏季保持凉爽的方法。这种涂层不需要任何电力或天然气；它使用 TARC 或温度自适应辐射涂层，可在冬季自动关闭辐射冷却，以确保不会浪费能源。

除了针对表面之外，在节省维护成本和保护环境的同时，基础设施改善方面取得的其他进展还包括自适应屋顶瓦，它具有辐射开关，可以响应不同的温度。

值得关注的公司

现在，我们来看看哪些公司可以从防霜技术的发展中受益，以及哪些公司正在帮助推动这一领域的发展。

在航空航天领域， 洛克希德·马丁公司 (LMT -1.53％) 是一个知名品牌，防霜表面有助于提高其军用和商用飞机的性能和耐用性。这家市值 129.26 亿美元的公司目前的股价为 545.35 美元，今年上涨了 20.32%。其 EPS (TTM) 为 27.65，P/E (TTM) 为 19.73，股息收益率为 2.42%。

波音 (BA -1.13％) 是另一家来自航空航天领域的公司，该公司也投入巨资开发除冰技术，以提高安全性和效率。然而，这家市值 95 亿美元的公司目前的股价为 155.33 美元，今年迄今下跌了 40.69%，原因是其飞机 崩溃 和 告密者死亡.

公司喜欢 3M (MMM -5.18％) 也因其在材料创新领域的参与而发挥着重要作用。这家市值 69 亿美元的公司股价今年迄今上涨 16.37%，交易价格为 127.22 美元，每股收益 (TTM) 为 7.63，市盈率 (TTM) 为 16.68，股息收益率为 2.20%。

1. 雷神技术 (实时传输 -0.05％)

NU 的氧化石墨烯技术可以帮助这家航空和国防技术提供商改善寒冷环境下的安全操作。雷神公司是一家市值 158 亿美元的公司，其股价目前交易价为 118.75 美元，上涨 41.13%，每股收益 (TTM) 为 3.52，市盈率 (TTM) 为 33.78，股息收益率为 2.12%。

3 年第三季度的销售额 报道 为 20.1 亿美元，比上年增长 6%，而积压订单为 221 亿美元。其中商业积压订单 131 亿美元，国防积压订单 90 亿美元。本季度末的自由现金流为 2 亿美元，而向股东返还了 1.1 亿美元的资本。

2. 原型实验室 (公积金 -1.27％)

为了使这些新技术迅速进入市场，它们需要以同样快的速度投入生产。这就是 Proto Labs 等公司可以提供帮助的地方。它利用 3D 打印、注塑成型和 CNC 加工来制造零件。这家市值 955.6 亿美元的公司股价为 38.75 美元，下跌 2.46%，每股收益 (TTM) 为 0.94，市盈率 (TTM) 为 40.30。

3 年第三季度， 报道 收入 125.6 亿美元，较去年第三季度下降 3.9%。净收入为 3 万美元，EBITDA 为 7.2 万美元。在此期间，该公司服务了 17.5 位客户。不过，该公司创造了四年来最高的季度运营现金流，首席执行官 Dan Schumacher 表示，“这证明了 Protolabs 模式在任何宏观背景下的盈利能力。”

结语

美国西北大学研究人员的最新发现可以显著减少任何表面的霜冻形成，这对降低因最轻微的霜冻而导致的航班取消次数以及减少强力除冰化学品的使用具有巨大的潜力，可以使人们的生活更加顺畅。

作为一种强大的防霜工具，混合宏观纹理-GO 表面可以进一步帮助减少除霜所需的能量和成本。因此，它可以在需要较长被动防霜时间的行业（包括航空航天、配电和运输）中得到广泛的应用。

总体而言，防霜冻技术的进步有助于为每年遇到的与天气相关的挑战提供持久和可持续的解决方案，进而有助于建立更高效、更有弹性的基础设施，并产生重大的经济影响。

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