全球變暖已導致極端氣候現象發生得更加頻繁，程度也更加劇烈。例如在2016年初襲擊美國東部的大規模暴風雪，落在地上的雪最終形成積冰。固體表面結冰是日常生活中常見的現象，但也以相當多的方式影響著工業與自然系統。近日，臺灣新竹交通大學機械系的呂明璋（點擊查看介紹）老師團隊成功利用改變固體表面的局部粗糙度達到控制結霜位置以及成核密度的目的，并以調整微結構形狀來控制冰的成核動力學，該研究結果可用來開發新型的抗冰表面。
固體表面結冰會為工業系統、基礎建設帶來許多嚴重的問題，如降低熱交換器的性能、損害農作物及導致電力線路短路或損毀等。由于超疏水表面具有超低的水吸附性，可成為潛在的抗冰策略，近年來應用超疏水微納米結構表面來預防表面結冰已引起越來越多的關注。一般來說，冰可以兩種形式在固體表面形成：水蒸氣于固體表面先冷凝后結冰，稱之為冷凝冷凍過程；第二種方式是結霜過程，是指水蒸氣在固體表面直接形成冰晶的現象。雖然超疏水表面可應用于冷凝冷凍過程，但在固體表面結霜時，冰會在表面的不同位置形成，當表面被冰霜覆蓋時會使超疏水表面失去抗冰效果，因而無法避免固體表面在非常低的溫度下發生結霜。
呂教授指出，有效減輕結霜對表面影響的方法是控制結霜的位置并立即除霜。原則上，固體表面的成核能壘隨機分布，故冰在普通表面的成核位置也是隨機的。成核的位置受成核自由能決定，成核能壘取決于表面化學勢能及粗糙度，故通過改變表面的粗糙度，理論上可以控制成核的位置。在最近的ACS Nano 中，呂教授帶領的研究團隊首次利用改變固體表面的局部粗糙度來控制結霜過程中冰晶的成核位置。
該研究團隊以環境掃描式電子顯微鏡（ESEM）分析平滑表面、硅納米線陣列表面、梯形微溝槽表面及V形微溝槽表面的動態結霜及除霜的情形。由于光滑硅表面及硅納米線陣列表面粗糙度的隨機性，冰的胚胎在這兩種表面呈隨機分布，相比于光滑硅表面，硅納米線陣列表面的大量孔穴可大幅度增加成核密度。另一方面，在微溝槽表面的微溝槽可局部降低成核自由能壘，使冰晶僅在微溝槽處成核。其成核密度可通過改變微溝槽的數目調整。
除了可控制冰在溝槽處成核外，V形微溝槽表面可同時控制冰的基底面沿著V形溝槽方向整齊成長；與此相反，冰晶面在梯形微溝槽表面的溝槽上則沒有方向性，這種現象受尖角效應的影響。以往的研究表明晶體成核的動力學可以通過其結構形狀來調節。在微溝槽表面溝槽內的尖角可促進成核，由于V形溝槽只有一個明確的尖角，故我們觀察到冰核的基底面沿著V形溝槽規律地排列，且僅沿著溝槽以相同晶格方向成長；而在梯形微溝槽內至少有兩個尖角，冰晶的晶格成長方向在梯形微溝槽內隨機分布。
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