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  冷表面上結(jié)冰和積冰常常給人類帶來不便或災(zāi)難性的后果。被動防冰本是防止低溫表面結(jié)冰的理想策略，但因難以克服降溫過程中冰核形成的熱力學(xué)驅(qū)動力，且傳統(tǒng)設(shè)計方法依賴經(jīng)驗或試錯，實際效果常不理想甚至適得其反。光熱防冰雖提供了一種低成本、環(huán)保的主動防冰方案，但當(dāng)前使用的光熱材料因廣譜吸光特性，始終面臨效率提升與透明度維持難以兼得的矛盾。

圖1. 主被動協(xié)同的防冰策略

  近期，河北工業(yè)大學(xué)白國英教授課題組及香港理工大學(xué)王鉆開教授團隊報道了一種主被動結(jié)合的新型透明防冰涂層設(shè)計策略（圖1），其結(jié)合了：（1）一種非常規(guī)、非試錯性的被動策略，通過納米尺度（臨界冰核尺度）的界面工程來提高冰核形成所需的熱力學(xué)驅(qū)動力閾值（即冰成核自由能勢壘）；（2）一種主動光熱策略，采用具有可見光透明性的光譜選擇性材料。這種協(xié)同策略使設(shè)計的透明涂層上的水，在無陽光照射下、-25 °C（保守低溫）乃至-30 °C（極端低溫）中，能保持至少1小時不結(jié)冰；而在光照下持續(xù)不結(jié)冰。該方法簡單、有效、通用，而且有望通過進(jìn)一步減小界面工程化的尺度和優(yōu)化材料類型（使用更加成核惰性的材料），制備出更優(yōu)異的透明防冰涂層。相關(guān)研究成果以“Transparent Anti-icing Coating via Synergistic Nanoscale Interfacial Engineering and Spectral-Selective Photothermy”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李東升同學(xué)為第一作者。此研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項目、天津市青年科技人才培養(yǎng)項目的資助支持。

圖2. 結(jié)合主動和被動防冰策略的可見光透明涂層

  如圖2所示，針對獲取真正基于抑制冰核形成的非試錯式被動防冰方法這一問題，作者提煉了影響冰核形成的關(guān)鍵表面特性——界面尺寸，并提出一種將宏觀界面分割至與成核相關(guān)尺度的納米界面工程方法，以提高冰成核自由能勢壘。針對當(dāng)前光熱材料在主動防冰中難以兼顧效率與透明性的問題，作者選用可見光透明的光熱材料，以實現(xiàn)對太陽光譜的選擇性吸收。具體而言，制備了預(yù)混近紅外（CTB）和紫外光（MBBT）吸收材料的聚合物（如聚丙烯酸）涂層，并對其表面進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化，使界面尺寸達(dá)到臨界冰核尺度。該方法在保持高透明度的同時，賦予涂層顯著的抑冰能力和光熱性能。例如，在-30 °C的低溫和高濕度下，涂層玻璃基板表面溫度迅速上升至11 °C，維持無霜狀態(tài)。

圖3. 透明和光熱性能

  圖2展示了涂層的透明性及光熱性能。在1.0太陽光照下，涂層溫度可快速上升40 ℃，即使在-40 ℃的溫度下，涂層表面仍可以保持在0 ℃以上。在相同溫升下，所設(shè)計涂層的透光率損失僅為寬光譜吸收光熱防冰涂層的20%。

圖4. 冰成核抑制能力

  圖4展示了涂層的冰成核抑制能力。使用該涂層后，玻璃基底的冰成核溫度下降了2.4 ℃，在?29 ℃時，冰成核延緩時間延長了7545 s。通過計算界面相關(guān)因子f(m, x)，發(fā)現(xiàn)涂層的引入的確增加了冰成核的自由能壘。此外，作者在聚合物固化過程中利用壓印法直接賦予涂層固有的納米結(jié)構(gòu)，即通過改變表面化學(xué)，獲得了冰成核能壘更高的涂層Nano-PMC-2。該涂層比玻璃基底的冰成核溫度低3.2 ℃，在?30 ℃下比玻璃基底的冰成核延緩時間長2.2小時，且具有良好的環(huán)境耐久性。

圖5. 涂層的主動和被動防冰性能

圖6. 涂層的除冰和除霜性能

  該工作是團隊研究水相變調(diào)控及其應(yīng)用的最新進(jìn)展之一。團隊在繼揭示純水結(jié)冰的微觀圖像之后（Nature 2019, 576, 437），又揭示了不同溶液體系中水結(jié)冰的機制（Nano Lett. 2025, 25, 2017），這充分證實了臨界冰核存在的普適性，而且還給出了冰成核在簡單純水體系與復(fù)雜溶液體系中的統(tǒng)一物理圖像，揭示了界面尺寸控制冰成核的奧秘。此外，團隊還在研究表界面性質(zhì)如何影響冰成核及水冷凝方面做出了一系列成果。例如，在表面化學(xué)影響冰成核方面，揭示了極性對冰成核的影響規(guī)律（Appl. Surf. Sci. 2022, 602, 154193； J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 11564）以及碳材料尺寸與氧含量耦合作用對冰成核的影響（J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 2950）。在界面形貌影響冰成核方面，首次從實驗上揭示了納米尺度凸、凹形貌對冰成核的影響規(guī)律（https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02069），解決了不同報道之間以及實驗結(jié)果與經(jīng)典成核理論之間關(guān)于表面形貌對冰成核影響的矛盾。這些均為理想控冰材料的設(shè)計提供了指導(dǎo)。在表界面性質(zhì)影響水冷凝方面，首次發(fā)現(xiàn)了影響冷凝成核的表面分子構(gòu)象因素，提出了不同于傳統(tǒng)的冷凝調(diào)控新策略，且可以拓展到水以外的其他物質(zhì)的相變體系，從而開創(chuàng)了微觀分子尺度上的特征變化影響水相變的新領(lǐng)域（Nat. Commun. 2024, 15, 3132）。最后，團隊提出了基于控冰技術(shù)的材料聚集態(tài)控制新方法，通過可控地凍結(jié)含有二維材料（如MXene）的分散液，實現(xiàn)了可選擇地、可逆地調(diào)節(jié)二維材料的有序堆積和單層剝離（Small 2024, 20, 2311218）；通過合理使用控冰技術(shù)，完整保留了處于溶液分散狀態(tài)時聚合物分子間（如聚乙烯醇及水溶性共軛聚噻吩）的相互作用，即對聚合物分子的分散狀態(tài)和構(gòu)象進(jìn)行了固定，解決了發(fā)光共軛聚合物稀溶液在干燥形成固體時的熒光淬滅問題（Acta Chim. Sinica 2022, 80, 921）。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202513944