香港城市大學(xué)曹之胤/北科大褚福強(qiáng)NC：自適應(yīng)光熱儲(chǔ)能超疏水薄膜實(shí)現(xiàn)高效防除冰與智能熱管理

隨著全球極端氣候事件日益頻發(fā)，冰雪積覆已成為威脅航空航天、風(fēng)力發(fā)電、建筑設(shè)施及交通系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要隱患。傳統(tǒng)主動(dòng)除冰技術(shù)通常依賴持續(xù)電能或機(jī)械能輸入，不僅能耗高昂，還面臨維護(hù)成本高、可靠性不足等問(wèn)題。近年來(lái)，利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光熱防除冰技術(shù)因其綠色節(jié)能優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有光熱材料普遍缺乏動(dòng)態(tài)熱調(diào)控能力，容易在炎熱夏季產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)熱問(wèn)題，制約其全年應(yīng)用潛力。

針對(duì)這一關(guān)鍵瓶頸，香港城市大學(xué)曹之胤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)褚福強(qiáng)教授，成功研發(fā)出一種三層結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)光熱儲(chǔ)能超疏水薄膜（Temperature-adaptive photothermal storage superhydrophobic film, TAPSS）。該材料可在低溫環(huán)境下呈現(xiàn)高吸收（約92%）黑色狀態(tài)，在高溫環(huán)境下切換為高反射（約75%）白色狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)62%的太陽(yáng)吸收率調(diào)節(jié)幅度。TAPSS薄膜將光熱調(diào)控、超疏水界面與相變儲(chǔ)能功能深度融合，在–20℃條件下將液滴凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)約10倍，并在夏季實(shí)現(xiàn)最高約17℃的表面降溫效果，展現(xiàn)出卓越的全年候節(jié)能潛力。此外，該薄膜兼具優(yōu)異的兼容性、耐久性及環(huán)境穩(wěn)定性，在建筑節(jié)能、航空航天以及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，為新一代防除冰技術(shù)及其自適應(yīng)熱管理提供了新思路。

相關(guān)研究成果近期以“A Self-Regulated Photothermal Anti-/Deicing Film for All-Season Applications”為題，在線發(fā)表于《Nature Communications》。香港城市大學(xué)曹之胤教授、北京科技大學(xué)褚福強(qiáng)教授為共同通訊作者，香港城市大學(xué)博士后都家宇為第一作者，清華大學(xué)閔琪副研究員等共同參與完成該研究。

【背景】光熱防除冰面臨“季節(jié)適應(yīng)性”挑戰(zhàn)

光熱防除冰技術(shù)通過(guò)將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱能，可有效延緩冰晶形成并促進(jìn)冰層脫落。相比傳統(tǒng)電加熱和機(jī)械除冰方式，其具有能耗低、維護(hù)簡(jiǎn)單及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，已成為防除冰領(lǐng)域的重要研究方向。然而，當(dāng)前大多數(shù)光熱材料僅針對(duì)低溫工況優(yōu)化，缺乏季節(jié)自適應(yīng)能力，在高溫環(huán)境下易發(fā)生過(guò)熱，不僅加速材料老化，還可能誘發(fā)器件熱失效，并加劇城市熱島效應(yīng)。近年來(lái)，具備動(dòng)態(tài)熱調(diào)控能力的自適應(yīng)材料逐漸受到關(guān)注，但仍普遍面臨太陽(yáng)調(diào)制能力不足、疏水穩(wěn)定性有限以及紫外耐久性較差等問(wèn)題。因此，開發(fā)兼具高效防除冰、季節(jié)自適應(yīng)與長(zhǎng)期穩(wěn)定性的先進(jìn)功能材料，成為該領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。

【設(shè)計(jì)原理】多層協(xié)同實(shí)現(xiàn)季節(jié)性光熱調(diào)控

如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的TAPSS薄膜創(chuàng)新采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括具有蛾眼狀納米結(jié)構(gòu)的透明超疏水（MNTS）頂層、具有熱致變色功能的聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-N,N-二甲基丙烯酰胺)/乙二醇（PNDE）水凝膠中間層，以及光熱相變復(fù)合（PTPCC）基底層。MNTS頂層通過(guò)仿生蛾眼納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)91%的太陽(yáng)透過(guò)率與154°水接觸角，在有效延緩冰晶成核的同時(shí)保證光熱轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，該層具備近零紫外透過(guò)率，可顯著提升整體結(jié)構(gòu)的抗老化能力。PNDE水凝膠是實(shí)現(xiàn)季節(jié)熱管理的核心功能層。該層利用聚(N-異丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）的溫度響應(yīng)特性，在高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻瓷錉顟B(tài)以降低太陽(yáng)吸收，而在低溫環(huán)境下則保持高透明狀態(tài)，使底層光熱轉(zhuǎn)換充分發(fā)揮。同時(shí)，乙二醇的引入顯著增強(qiáng)了水凝膠的抗凍能力，并與N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）協(xié)同調(diào)控轉(zhuǎn)變溫度至人體熱舒適區(qū)間。PTPCC底層通過(guò)多壁碳納米管實(shí)現(xiàn)寬譜太陽(yáng)吸收，并結(jié)合相變儲(chǔ)能材料，可在白天儲(chǔ)存熱量、夜間釋放潛熱，從而實(shí)現(xiàn)全天候防除冰。與傳統(tǒng)光熱防除冰材料相比，TAPSS薄膜在接觸角、太陽(yáng)吸收率、太陽(yáng)光調(diào)節(jié)能力以及相變焓和相變溫度等關(guān)鍵指標(biāo)上均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，并在連續(xù)90天戶外測(cè)試中保持穩(wěn)定的光學(xué)性能和超疏水特性。

圖1 TAPSS薄膜的設(shè)計(jì)原理及性能

【難點(diǎn)一】如何兼顧高透光率與耐久超疏水？

透明光學(xué)界面通常要求表面光滑以減少光散射，而超疏水性能則依賴微納尺度粗糙結(jié)構(gòu)來(lái)形成穩(wěn)定的氣墊層，兩者存在天然結(jié)構(gòu)矛盾。同時(shí)，面向長(zhǎng)期戶外應(yīng)用，材料還必須具備優(yōu)異的機(jī)械耐磨性、抗紫外老化能力以及化學(xué)穩(wěn)定性，這對(duì)界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了極高要求。研究團(tuán)隊(duì)利用紫外納米壓印技術(shù)構(gòu)建亞波長(zhǎng)尺度蛾眼納米結(jié)構(gòu)，并結(jié)合低表面能氟化材料，實(shí)現(xiàn)了透光性能與潤(rùn)濕性能的協(xié)同優(yōu)化。如圖2所示，MNTS薄膜太陽(yáng)透過(guò)率可超過(guò)95%，并展現(xiàn)出抗反射特性，將PET的反射率由11.8%降至4.3%。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)在8–13 μm大氣窗口內(nèi)具有94.5%的高紅外發(fā)射率，可進(jìn)一步增強(qiáng)輻射散熱能力。更值得關(guān)注的是，該薄膜在經(jīng)歷200 cm砂紙磨損、100次膠帶剝離、24小時(shí)強(qiáng)酸堿腐蝕以及4周強(qiáng)紫外老化測(cè)試（相當(dāng)于8個(gè)月的佛羅里達(dá)陽(yáng)光照射）后，仍保持穩(wěn)定超疏水性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的戶外應(yīng)用可靠性。

圖2 MNTS頂層的微觀形貌、光學(xué)性能及超疏水穩(wěn)定性

【難點(diǎn)二】如何實(shí)現(xiàn)寬溫域穩(wěn)定的熱致變色水凝膠？

傳統(tǒng)PNIPAM水凝膠在季節(jié)性熱調(diào)控應(yīng)用中面臨多重限制：其相變溫度通常固定在約32℃，難以滿足人體熱舒適區(qū)需求；同時(shí)水凝膠抗凍能力較弱，在低溫環(huán)境下易凍結(jié)并導(dǎo)致透光率急劇下降。此外，提升抗凍能力往往需要引入有機(jī)溶劑或改變聚合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但此類策略易削弱材料的光學(xué)調(diào)制能力，并擾動(dòng)轉(zhuǎn)變溫度。針對(duì)這些關(guān)鍵難題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建水/乙二醇二元溶劑體系，并引入親水性單體DMAA，對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與溶劑環(huán)境進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，成功開發(fā)出PNDE水凝膠。如圖4所示，該材料不僅實(shí)現(xiàn)更貼近人體舒適區(qū)的轉(zhuǎn)變溫度（約26℃），還將凍結(jié)溫度降低至約–25℃，顯著拓寬了應(yīng)用溫域范圍。同時(shí)，PNDE水凝膠展現(xiàn)出高達(dá)75%和68%的透過(guò)率和反射率調(diào)節(jié)能力，并具備快速響應(yīng)動(dòng)力學(xué)和極小熱滯后特性，在100次冷熱循環(huán)過(guò)程中仍保持穩(wěn)定性能，為季節(jié)性光熱調(diào)控提供了可靠材料基礎(chǔ)。

圖3 PNDE水凝膠中間層的轉(zhuǎn)變溫度、抗凍性及光學(xué)性能

【難點(diǎn)三】如何構(gòu)建兼具光熱轉(zhuǎn)換與長(zhǎng)效儲(chǔ)熱能力的復(fù)合層？

傳統(tǒng)光熱材料雖然具備優(yōu)異太陽(yáng)吸收能力，卻難以在夜間或弱光條件下持續(xù)供熱；而相變儲(chǔ)能材料普遍存在導(dǎo)熱性能差、相變溫度匹配困難以及相變過(guò)程中易泄漏等問(wèn)題。尤其是在提高相變材料含量以增強(qiáng)儲(chǔ)熱能力時(shí)，往往會(huì)削弱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并增加材料失效風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控多壁碳納米管含量，構(gòu)建高效光熱轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)近97%的寬譜太陽(yáng)吸收率和超過(guò)90%的光熱轉(zhuǎn)換效率，可在1.0 sun條件下200 s內(nèi)升溫至60℃以上（見圖4）。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新構(gòu)建由正十三烷與正十四烷組成的二元相變體系，將相變溫度精準(zhǔn)調(diào)控至冰點(diǎn)附近，并通過(guò)納米多孔限域結(jié)構(gòu)有效抑制相變材料泄漏，在保證儲(chǔ)熱密度的同時(shí)顯著提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該復(fù)合層不僅能夠在光照條件下實(shí)現(xiàn)快速升溫，還可在無(wú)光環(huán)境中通過(guò)潛熱釋放延緩溫度下降，從而實(shí)現(xiàn)全天候持續(xù)熱緩沖與高效防除冰性能。

圖4 PTPCC底層的光熱性能和相變儲(chǔ)熱能力

【防除冰性能】主被動(dòng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境防護(hù)

通過(guò)三層功能結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，TAPSS薄膜在極端低溫環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱防除冰能力。如圖5所示，得益于表面的超疏水納米結(jié)構(gòu)，其可將水滴凍結(jié)時(shí)間顯著延長(zhǎng)至1115 s，相較傳統(tǒng)PET等普通基底實(shí)現(xiàn)約10倍提升，并可通過(guò)液滴彈跳自清潔實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)防冰效果。在一個(gè)太陽(yáng)光照條件下，TAPSS薄膜可高效實(shí)現(xiàn)光熱融冰，冰滴約410 s即可完全融化，展現(xiàn)出穩(wěn)定可控的除冰過(guò)程。更重要的是，該材料在飛機(jī)機(jī)翼與風(fēng)機(jī)葉片模型中均表現(xiàn)出優(yōu)異的化霜性能，并在多次凍融循環(huán)后依然保持良好的超疏水性與光學(xué)穩(wěn)定性，為航空航天、風(fēng)力發(fā)電及戶外裝備等領(lǐng)域提供了極具應(yīng)用前景的防除冰解決方案。

圖5 TAPSS薄膜的防冰、除冰及除霜性能

【夏季降溫與建筑節(jié)能】打造冬暖夏涼的智能圍護(hù)材料

在夏季高溫條件下，TAPSS薄膜同樣展現(xiàn)出優(yōu)異的熱調(diào)控能力。如圖6所示，在約900 W/m2太陽(yáng)輻照下，其正午平均降溫達(dá)17.4℃；夜間依靠高紅外發(fā)射率實(shí)現(xiàn)被動(dòng)輻射制冷，維持低于環(huán)境溫度的散熱能力。建筑節(jié)能模擬結(jié)果顯示，TAPSS屋面在北京與丹佛等地區(qū)可分別降低約12.0%與13.5%的制冷能耗。同時(shí)，其溫度自響應(yīng)特性可避免傳統(tǒng)輻射制冷材料帶來(lái)的冬季供暖能耗懲罰，使寒冷地區(qū)供暖能耗平均降低3.9%。模擬結(jié)果表明，該材料在全球所有氣候區(qū)均展現(xiàn)出優(yōu)異的全年建筑節(jié)能潛力，有望成為新一代智能建筑圍護(hù)解決方案，為低碳建筑發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

圖6 TAPSS薄膜的戶外降溫性能及全球建筑節(jié)能評(píng)估

【總結(jié)】

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種自適應(yīng)光熱儲(chǔ)能超疏水薄膜（TAPSS），通過(guò)構(gòu)建透明超疏水界面、溫度響應(yīng)水凝膠與光熱相變儲(chǔ)能層的多功能協(xié)同作用，突破了傳統(tǒng)光熱防除冰材料難以兼顧冬季防除冰和夏季防過(guò)熱的關(guān)鍵瓶頸。該材料能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)吸收率，在嚴(yán)寒條件下實(shí)現(xiàn)高效光熱防除冰，在高溫環(huán)境中有效抑制太陽(yáng)輻射引起的過(guò)熱，實(shí)現(xiàn)冬季增溫與夏季降溫的雙重調(diào)控功能。此外，該材料在太陽(yáng)光調(diào)制能力、相變儲(chǔ)能性能、應(yīng)用場(chǎng)景適應(yīng)性及環(huán)境耐久性等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異性能，并在全球多氣候區(qū)展現(xiàn)出顯著的全年候建筑節(jié)能潛力。該研究不僅有效解決了傳統(tǒng)光熱材料在夏季應(yīng)用中的過(guò)熱難題，為航空航天、風(fēng)力發(fā)電及建筑節(jié)能等領(lǐng)域的新一代智能防除冰技術(shù)提供了重要設(shè)計(jì)思路，同時(shí)也為多功能自適應(yīng)熱管理材料的開發(fā)與工程化應(yīng)用開辟了新的研究方向。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69494-x