远南地区的材料化学

《Chemistry of Materials》：Materials Chemistry in the Far South

南极科考与冰phobic涂层研究

　　作为一名科学家，能够踏上南极这片未被现代文明完全触及的土地，是一段既充满挑战又令人难忘的经历。在2024年的10月和11月，我以科研人员的身份前往南极，参与韩国极地研究所（KOPRI）在Jang Bogo站（JBS）开展的研究工作。这次旅程不仅让我领略了南极的壮丽景色，也让我对科学研究在极端环境下的应用有了更深刻的理解。南极的特殊地理位置和自然条件，使得它成为许多科学研究的理想场所，同时也为科学家们提供了独特的体验和灵感来源。

在前往南极的旅途中，我经历了比从韩国到巴西更为漫长的飞行。从首尔出发，经过悉尼机场的中转，最终抵达新西兰的基督城机场，再乘坐专机前往南极洲的特拉诺瓦湾。这段旅程跨越了18,000多公里，耗时至少25小时，而南极洲的地理位置决定了它与世界其他地区的联系相对有限。尽管如此，它依然是许多科学家心中的梦想之地。在与来自北半球的朋友交流时，他们往往提到“南极”作为距离自己家乡最远的地方，尽管从地理距离上来看，可能并不如某些大洲那样遥远，但南极的极端环境和地理隔离让它显得更加遥不可及。

在南极洲，地理上通常将其分为东、西两部分。东南极靠近澳大利亚和新西兰，而西南极则更容易从南美洲的南部海岸进入，例如智利和阿根廷。JBS位于东南极，因此我们的航班是从基督城出发，经过一系列准备，最终抵达特拉诺瓦湾的冰面。为了确保安全，飞行时间通常安排在夏季，此时冰面仍然保持足够的厚度，可以支撑飞机的降落。抵达后，我们由JBS的同事驾驶雪地摩托，从降落点前往研究站。这种独特的交通方式不仅展现了南极的自然条件，也反映了科研人员在极端环境下的适应能力。

JBS的建设充分利用了特拉诺瓦湾的地理优势。首先，它靠近海岸，使得补给物资可以通过破冰船运输到达。其次，它便于进入内陆，为科研人员提供了广阔的探索空间。在夏季，韩国的破冰研究船“ARAON”会定期将物资和人员从韩国运送到JBS。JBS的名字来源于统一新罗时期的海军将领姜褒，以纪念他在抵御海盗方面的贡献。研究站的设计也充分考虑了南极的特殊环境。从空中俯瞰，JBS呈现出一个三叉星的形状，其三个部分分别用于生活区、科研区和物资储存区。整个建筑采用高架结构，以防止冬季积雪堵塞入口。日常科研活动主要在第二层进行，而管理层和通讯观测中心则设在第三层和第四层。研究站内设施齐全，包括明亮的餐厅、丰富的零食供应以及供科研人员使用的健身房，这些设施在长期驻扎的科研工作中显得尤为重要。

在南极的生活方式与在城市中的生活截然不同。由于夏季阳光持续照射，夜晚的黑暗变得稀少，我们需要通过遮光窗帘和严格的作息时间来模拟夜晚。所有的水源都来自海水的淡化处理，而没有污水处理系统，因此洗澡和洗衣等活动受到一定限制。同时，为了保护水资源，我们还需要严格区分废弃物，以防止污染。在某些情况下，如果水位过低，洗澡甚至会被禁止。尽管如此，研究站内的厨房团队仍然努力提供多样化的饮食，但由于物资运输的限制，新鲜食材非常稀缺。例如，我们几乎没有新鲜鸡蛋，只有从冷冻储存中取出并重新加热的煎蛋。幸运的是，每周我们都能享受到通过水培农业种植的新鲜蔬菜，这为我们在寒冷环境中提供了些许温暖和营养。

在南极，由于各国都放弃了对南极洲的领土主张，这里几乎没有商业设施或基础设施。这意味着我们无法使用常规的地址、街道或互联网服务，所有的通信和导航都依赖于卫星设备。例如，GPS追踪器、对讲机、预先下载的卫星地图以及卫星电话是我们在户外活动时不可或缺的工具。此外，交通工具也极为有限，只有雪地摩托、雪地四轮车和直升机等特种车辆可用。这种交通方式不仅反映了南极的特殊环境，也展示了科研人员在极端条件下的适应能力。

南极的自然环境与我们平时所熟悉的环境有着显著的不同。这里没有城市的喧嚣，也没有鸟类的鸣叫，只有绝对的寂静。这种寂静不仅是物理上的，更是心理上的。在这样的环境中，我们能够更加专注于科研工作，同时也更容易感受到自身的渺小和自然的壮丽。在科研过程中，我们观察到了一些有趣的自然现象，例如海豹在冰面上休息，它们从远处的海洋中游出，通过冰层的裂缝出现。这些动物的存在，让我们在孤独的环境中也能感受到一丝生机。

在JBS，我们的主要研究领域包括地质学、地球物理学、冰川学以及空间环境研究，例如高层大气、电离层和极光的研究。这些研究都与南极的特殊环境密切相关，同时也为全球科学研究提供了重要的数据支持。作为材料科学家，我的工作主要是通过技术支持，为这些研究活动提供帮助。例如，我们安装了天线、温度传感器、湿度传感器、风速监测仪、摄像头以及便携式电源等设备，这些设备需要在户外环境中运行。然而，在严冬条件下，冰的形成和积雪可能会导致这些设备失灵，因此我们需要采取措施，确保它们的正常运行。

为了应对这一挑战，我们研究了一种基于自组装的纳米结构疏水表面涂层，将其应用于防冰涂层（icephobic coating）。这种涂层的形成依赖于无机颗粒与有机聚合物之间的物理和化学相互作用。我们的研究策略主要包括两个方面：一是通过降低表面能来防止异质冰核的形成，二是通过降低表面与冰之间的附着力，使冰能够自行脱落。在实验中，我们发现，涂有这种涂层的表面在20小时的降雪后仍然保持干净，而未涂层的表面则出现了明显的积雪。此外，我们在墨尔本山（海拔2,733米）进行了进一步的测试，以验证这两种策略的有效性。这些研究成果不仅对南极的科研工作具有重要意义，也有可能在飞机表面处理、车辆防护以及军事应用等领域发挥重要作用。

在南极的研究经历让我深刻体会到，尽管这里远离现代文明，但却是科学探索的重要场所。在这里，我找到了新的灵感，也对科研工作的意义有了更深入的理解。南极的纯净环境与现代科技的结合，为我们提供了一个独特的视角，让我们能够从一个全新的角度思考如何改进现有的技术。这种体验不仅让我受益匪浅，也让我更加坚定了从事科学研究的信念。在这样的环境中，科学家们继续他们的工作，为人类对自然和科技的理解做出贡献。南极虽然被称为“无人之地”，但正是这种环境，使得它成为科学研究的重要前沿。