Understanding ice formation from supercooled water on surfaces is a problem of fundamental importance and general utility. Superhydrophobic surfaces promise to have remarkable 'icephobicity' and low ice adhesion. Here we show that their icephobicity can be rendered ineffective by simple changes in environmental conditions. Through experiments, nucleation theory and heat transfer physics, we establish that humidity and/or the flow of a surrounding gas can fundamentally switch the ice crystallization mechanism, drastically affecting surface icephobicity. Evaporative cooling of the supercooled liquid can engender ice crystallization by homogeneous nucleation at the droplet-free surface as opposed to the expected heterogeneous nucleation at the substrate. The related interplay between droplet roll-off and rapid crystallization is also studied. Overall, we bring a novel perspective to icing and icephobicity, unveiling the strong influence of environmental conditions in addition to the accepted effects of the surface conditions and hydrophobicity.

Ice formation can have catastrophic consequences for human activity on the ground and in the air. Here we investigate water freezing delays on untreated and coated surfaces ranging from hydrophilic to superhydrophobic and use these delays to evaluate icephobicity. Supercooled water microdroplets are inkjet-deposited and coalesce until spontaneous freezing of the accumulated mass occurs. Surfaces with nanometer-scale roughness and higher wettability display unexpectedly long freezing delays, at least 1 order of magnitude longer than typical superhydrophobic surfaces with larger hierarchical roughness and low wettability. Directly related to the main focus on heterogeneous nucleation and freezing delay of supercooled water droplets, the observed ensuing crystallization process consisted of two distinct phases: one very rapid recalescent partial solidification phase and a subsequent slower phase. Observations of the droplet collision process employed for the continuous liquid mass accumulation up to the point of ice formation reveal a previously unseen atmospheric-pressure, subfreezing-temperature regime for liquid-on-liquid bounce. On the basis of the entropy reduction of water near a solid surface, we formulate a modification to the classical heterogeneous nucleation theory, which predicts the observed freezing delay trends. Our results bring to question recent emphasis on super water-repellent surface formulations for ice formation retardation and suggest that anti-icing design must optimize the competing influences of both wettability and roughness.

Silicone nanofilaments (see figure) are grown by a simple chemical vapor deposition method on different substrate materials. The filaments are flexible, and have lengths of up to several micrometers and diameters of up to 150 nm. The dense and entangled arrangement of these filaments yields a superhydrophobic coating that is also optically transparent and antireflective.

The superhydrophobic behavior of nano- and microtextured surfaces leading to rebound of impacting droplets is of great relevance to nature and technology. It is not clear however, if and under what conditions this behavior is maintained when such surfaces are severely undercooled possibly leading to the formation of frost and icing. Here we elucidate key aspects of this phenomenon and show that the outcome of rebound or impalement on a textured surface is affected by air compression underneath the impacting drop and the time scale allowing this air to escape. Remarkably, drop impalement occurred at identical impact velocities, both at room and at very low temperatures (−30 °C) and featured a ringlike liquid meniscus penetration into the surface texture with an entrapped air bubble in the middle. At low temperatures, the drop contact time and receding dynamics of hierarchical surfaces were profoundly influenced by both an increase in the liquid viscosity due to cooling and a partial meniscus penetration into the texture. For hierarchical surfaces with the same solid fraction in their roughness, minimizing the gap between the asperities (both at micro- and nanoscales) yielded the largest resistance to millimetric drop impalement. The best performing surface impressively showed rebound at −30 °C for drop impact velocity of 2.6 m/s.