以不銹鋼織物模擬結構可降低95%黏附度企鵝羽毛除冰技術新靈感

THE MERIT TIMES

編譯／韋士塔 2023-02-18

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清除屋頂與雨水槽的積冰，是繁瑣的任務。圖／法新社、美聯社、網路

企鵝的羽毛具有防水、防冰的特性。圖／法新社、美聯社、網路

地勤人員在飛機在起飛前，噴灑除冰液。圖／法新社、美聯社、網路

編譯／韋士塔

寒冷的冬季，行走在路上會面臨一連串挑戰，包括凍人的低溫、結冰的溼滑道路，以及可能從屋簷、排水槽掉落、有如匕首般鋒利的冰柱。

這些冰柱相當危險，清除起來也費時費力；傳統的除冰技術仰賴機械、熱能或化學物品。需要除冰的領域不僅在住家，道路標誌、電塔及電纜上的冰，可藉由敲擊引起震動或施加壓力讓其碎裂，而予以去除。另外，飛機也會噴灑除冰液，在起飛前以化學方式讓冰融化並防止結凍。可加熱的人行道，也能有效除冰，減少行走或駕車的危險。

科學家指出，這些抗凍方法能有效避免致命的基礎設施故障、事故，但這些技術是不永續的，因為它們需要消耗大量的能源及有害化學物質。過去幾十年來，研究人員一直嘗試開發被動式抗凍技術（passive anti-icing technology），這是一種能避免結冰的表面結構，即使結冰也能輕鬆去除。

加拿大麥吉爾大學（McGill University）仿生表面工程實驗室的研究團隊，在大自然中汲取靈感，尋找各種解決方案。他們從企鵝羽毛獲得靈感，開發最新的抗凍技術。

研究團隊指出，大自然有各種不同的方法除冰，幾千年來各物種已演化出不需要化學反應或消耗大量能源的除冰方法，企鵝的羽毛就是一例。

研究人員指出，他們在開發被動式抗凍表面時的過程，發現企鵝不僅生活在非常寒冷的環境、在寒冷的水域游泳、狩獵，也須在寒冷的強風中活動，但企鵝的羽毛上不曾結冰。研究團隊收集企鵝的羽毛，研究其結構，並將它們重新組裝成羽毛墊，觀察它們與水的相互作用，以及是否會結冰。

分析結果顯示，水滴落在企鵝羽毛表面時，會像球一樣滾落，代表企鵝的羽毛兼具防水、抗凍的特性。這些效果來自其羽毛的結構，若加以運用，將可設計出與傳統方式截然不同的抗凍表面結構。

研究團隊指出，以電子顯微鏡觀察可發現企鵝羽毛有羽軸、羽片，羽片的倒鉤（barb）上有小羽枝（barbules），排列方式類似支架，小羽枝上有許多鉤狀剛毛（hamuli），這些鉤狀剛毛互鉤後組成立體微結構網路，形成很多細密的皺褶，能有效防止水分的浸潤，阻止熱傳導，並降低冰的黏附強度，因此企鵝翅膀表面不易結冰。

研究團隊仿照企鵝羽毛的結構，製作不銹鋼織物；實驗顯示，與光滑的不銹鋼相比，模擬企鵝羽毛結構的不銹鋼織物，冰的黏附強度降低了約95%。

研究人員指出，這項研究結果，有助以不同的角度探討如何除冰，為每年冬季對生活造成影響的問題，提供了潛在的新方案。在可預見的未來，或許能把這項技術與傳統的主動加熱系統結合，初步可用於路標等設施，長期而言則可擴大應用範圍，了解其長期穩定性、安裝及維修成本，以及是否能有效減少傳統除冰技術的能源、化學品用量。

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