氷恐怖症

疎氷性（氷とギリシャ語のφόβος phobos「恐怖」に由来）は、固体表面が表面の特定の地形構造により氷をはじいたり、氷の形成を防いだりする能力である。^{[1] [2] [ 3] [4] [5]}「疎氷性」という言葉は、少なくとも1950年に初めて使用された。^[6]しかし、微細パターン化された表面の進歩により、2000年代以降、疎氷性への関心が高まっている。

「疎氷性」という用語は、物理化学における疎水性やその他の「疎水性」（疎油性、疎油性、全疎水性、両親媒性など）という用語に類似している。疎氷性は、防氷表面とは異なり、氷形成を防ぐために特別な処理や化学コーティングを必要としない点で、除氷や防氷とは異なる。[ ^{7] [8] [9] [10] [11]}

疎水性と疎氷性の間には、さらに類似点があります。疎水性は、「疎水効果」と疎水相互作用にとって重要です。水中に置かれた 2 つの疎水性分子 (炭化水素など) には、水媒体との相互作用により、その起源がエントロピーである効果的な反発疎水力があります。疎水効果は、タンパク質やその他の高分子の折り畳みに関与し、フラクタル形状につながります。氷結晶(雪片) の形成中、媒体 (過飽和蒸気) との相互作用により、枝の成長の同期が起こります。これは、疎水効果(媒体 (水) との相互作用による疎水性粒子の見かけの反発) にいくらか似ています。その結果、雪片の形状は非常に多様で「互いに似た雪片は 2 つとしてない」にもかかわらず、ほとんどの雪の結晶は対称的で、6 つの枝のそれぞれが他の 5 つの枝とほぼ同じです。さらに、疎水性と疎氷性はどちらも、疎水性相互作用（粗い表面や不均質表面の濡れ中、またはポリペプチド鎖の折り畳みやループ中）や氷の結晶化（フラクタル雪片）の結果として生じる自己組織化臨界駆動型複雑性など、非常に複雑な現象につながる可能性があります。^[7]

熱力学的には、疎水性相互作用と氷の形成はどちらも表面ギブスエネルギーΔG = ΔH − TΔS の最小化によって駆動されることに注意してください。ここで、H、T、および S はそれぞれエンタルピー、温度、およびエントロピーです。これは、疎水性相互作用において、TΔS の大きな正の値が ΔH の小さな正の値に勝り、自発的な疎水性相互作用がエネルギー的に有利になるためです。いわゆる表面粗面化遷移は、氷結晶の成長方向を支配し、臨界温度で発生します。この温度を超えると、ギブスエネルギーへのエントロピー寄与 TΔS がエンタルピー寄与 ΔH に勝り、氷結晶が滑らかであるよりも粗い方がエネルギー的に有利になります。これは、熱力学的には、疎氷挙動と疎水性挙動の両方がエントロピー効果として見ることができることを示唆しています。^[7]

しかし、疎氷性は疎水性とは異なります。疎水性は、水接触角 (CA) と固体-水、固体-蒸気、水-蒸気界面の界面エネルギーによって特徴付けられる特性であり、したがって、通常は CA>90 度として定量的に定義される熱力学的特性です。もう 1 つの違いは、疎水性が自然に親水性と対立することです。疎氷性にはそのような対立はなく、したがって定量的な閾値を設定して定義する必要があります。疎氷性は、超疎水性の定義方法に非常に似ています。^[7]

このテーマに関する最近の出版物では、表面の疎氷性の特性評価に3つのアプローチが示されています。^[7]まず、疎氷性は氷と固体表面の間の接着力が低いことを意味します。ほとんどの場合、臨界せん断応力が計算されますが、法線応力も使用できます。これまでのところ、疎氷性の明確な定量的定義は提案されていませんが、研究者は、せん断強度（最大応力）が150 kPaから500 kPaの範囲未満、さらには15.6 kPaほど低い表面を疎氷性表面と特徴付けています。^{[1] [7]}

第二に、疎氷性は表面での氷の形成を防ぐ能力を意味します。このような能力は、過冷却水（通常の凍結温度 0 ℃ 未満）の液滴が界面で凍結するかどうかによって特徴付けられます。凍結のプロセスは、不均一な氷核形成の時間遅延によって特徴付けられます。液滴凍結のメカニズムは非常に複雑で、温度レベル、液滴の冷却が固体基板側から行われるか蒸気から行われるか、およびその他の要因によって異なります。

第三に、疎氷性表面は、氷点以下の温度で、入ってくる小さな水滴（例えば、雨や霧）をはじくはずです。^[12]

これら 3 つの定義は、疎氷性表面は (i) 表面で凝結した水の凍結を防ぐ (ii) 流入する水の凍結を防ぐ (iii) 氷が形成された場合、固体との接着力が弱く、簡単に除去できる必要があることを意味しています。氷結防止特性は、固体表面が空気/蒸気よりも冷たいかどうか、温度勾配がどのくらい大きいか、毛細管現象や分離圧力などにより固体表面に薄い水膜が形成される傾向があるかどうかなどの状況によって異なります。氷と基質の機械的特性も非常に重要です。なぜなら、氷の剥離はモード I (通常) またはモード II (せん断) の亀裂のいずれかで破壊として発生するため、亀裂の集中が強度低下の主な原因となるからです。^{[4] [7]}