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水在冷表面结冰会影响许多基础设施的运行，导致一系列问题。在众多影响结冰的因素中，固体表面的影响占有重要地位。因此，研究固体表面对冰成核的影响对于防冰材料的开发具有重要意义。本论文从表面对冰成核的影响出发，研究了冰在亲水、疏水及超疏水表面的成核动力学，揭示了表面浸润性及表面形貌在冰成核中的作用;进一步从低温生物抑制冰晶生长的保护机制出发，将融合昆虫抗冻蛋白接枝到表面，制备了仿生防冰表面。主要研究内容如下:
1.在密闭的空间中，采用蒸发-冷凝的方法在表面形成大量微米尺度的水滴，统计水滴的冰成核温度分布。通过此方法，可以有效排除水中杂质对冰成核的影响;同时，大量水滴的冰成核温度分布可以减少表面不均一性对冰成核的影响。从冰在表面的成核温度分布出发，研究了冰在表面的成核概率及速度。结果表明，液态水成核变冰发生于液固界面。在此基础之上，研究了冰在亲水硅片、经氟硅烷(FAS-17)改性的疏水表面的单位面积成核速度。研究发现，在相同温度下亲水表面液态水成核变冰速度比疏水表面的约低一个数量级。
2.研究了亲水硅片表面、疏水聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面和超疏水ZnO纳米柱阵列表面上冷凝微米水滴的成核变冰行为。结果表明，在这些表面，冷凝水滴的成核变冰也发生在液固界面;同时发现，在相同温度下超疏水表面的成核速度在这三种表面中最高，比亲水表面要高出约2个数量级。
3.基于生活于酷寒地区的生物体内的抗冻蛋白能抑制冰晶形成和生长，将抗冻蛋白应用于防冰材料研究之中。受贻贝水下粘附机理的启发，首先将贻贝粘附蛋白中起胶黏剂作用的3，4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)接枝到表面，利用DOPA能与氨基等基团反应的特点，将生物分子接枝到表面。采用此方法，将牛血清白蛋白(BSA)、麦芽糖结合蛋白(MBP)、准噶尔小胸鳖甲融合抗冻蛋白MBP-MpAFP接枝到硅表面。采用蒸发-冷凝的方法，在恒定温度条件下(-20℃)，研究了冷凝微米水滴在不同表面上的结冰延缓程度。结果表明，接枝有BSA及MBP的表面结冰延缓时间与DOPA改性表面接近，而接枝有抗冻蛋白MBP-MpAFP的仿生表面可以显著延缓结冰。