中文摘要：

本研究模拟极寒地带鱼类和昆虫体内防结冰蛋白的抑制结冰过程，以环状分子修饰的光或温度响应聚合物实现对冰晶的吸附和结冰过程的抑制，得到有效降低水的结冰温度的仿生智能材料。所采用的环状分子具有类似防结冰蛋白的刚性平面和氢键识别位点，可以吸附到冰晶表面，而光或温度响应聚合物主链具有疏水性，在光照或温度改变下可以进行链段运动，避免冰晶在聚合物表面继续生长及包埋，实现有效、非依数性凝固点的降低。通过聚合物结构设计，探索不同环状分子官能团在决定氢键识别过程中的选择性和键合能力的规律，研究聚合物-冰晶界面的选择性识别作用。利用结构与功能协同的智能仿生材料，实现过程模拟，在低温下实现冰晶的识别、吸附和生长抑制，为防结冰材料制备提供新的研究思路和理论基础。

结论摘要：

本项目系统研究了冷表面上的液滴冻结行为。通过化学和物理方法调控获得不同表面性质的冷表面（表面能、粗糙度、化学组成），研究这些冷表面的结冰行为，取得一系列对防结冰研究具有重要指导意义的成果。通过观察比较结冰温度下疏水表面、超疏水表面水滴的形成、凝结和冻结，我们认识到表面微观粗糙结构可以延迟三相线处液态水的固化（结冰过程）。固-液接触面积分数越小的超疏水表面，其超疏水性变化越小。在此工作基础上，我们制备了能有效延缓冷凝水滴的凝固和冰的形成的超疏冷凝水的表面。并首次证明表面低温下的浸润性对冷凝水滴的凝固影响更大。此结果为研究氢键作用与防结冰行为的相互关系做好准备，对于设计和研究超疏水表面用于防结冰研究具有重要指导意义。冷表面上结冰的一个重要原因是冷凝微水滴在表面上的粘附与凝固。因此，能否在冷凝水滴凝固前将其从表面上移走是能否实现防结冰的关键。利用简单的铝+水反应，我们制备了具有多级多孔结构的表面。经过疏水化处理后，这些表面对冷凝的微小水滴具有不同的粘附功。研究表明，表面对冷凝的微水滴的粘附功越小，越有利于冷凝水滴的自移除，减少表面上冷凝水的量。同时，我们建立了表面粘附功与冷凝水滴自移除之间关系的理论模型。为设计合理的防结冰/霜表面提供思路。从分子尺度上，通过调整表面的化学组成，制备了表面能不同的表面，并研究了这些表面上冷凝水滴的凝固现象。结果表明，与疏水性表面相比，亲水性表面能降低水的凝固温度。同时，亲水性表面上冰的成核速率大大低于疏水性表面上的冰成核速率。而冷凝水形状对于其结冰行为也有影响，与滴状冷凝相比，膜状冷凝形成的冷凝水更容易凝固并且凝固时的温度比较高。这些结果厘清了表面上冷凝模式与水滴凝固的关系，有助于防结冰/霜材料的设计与制备。本项目通过设计和选择反应性单体，合成温度响应聚合物。研究温度响应聚合物的低温表面性质和结冰行为。得到温度响应聚合物能与水形成有效的结合，具备一定阻碍冰晶生长的能力。实验观察到在此聚合物表面冰晶成核的各向异性和不均匀性，并在外界温度刺激下实现链段的运动，破坏冰晶的长程有序排列，与空白实验对比能有效提高冰晶融化速度，这些结果有助于从分子尺度上理解表面组成对水结冰的影响，有助于从分子设计角度制备有效的防结冰材料。