近日，我院材料加工與控制系張宏強(qiáng)老師與中科院化學(xué)所賀志遠(yuǎn)副研究員、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校Ximin He助理教授團(tuán)隊(duì)合作，聯(lián)合清華大學(xué)，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校等科研機(jī)構(gòu)，在低溫高濕極端環(huán)境下防冰方面取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)受小麥葉片的啟發(fā)，利用超快脈沖激光沉積制備出獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)仿生表面，在低溫高濕的極端環(huán)境下，依然表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換及防冰防霜性能。相關(guān)研究論文“Solar Anti-icing Surface with Enhanced Condensate Self-Removing at Extreme Environmental Conditions”發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）上。該論文的第一作者為張宏強(qiáng)，第一單位為北航機(jī)械學(xué)院。該研究發(fā)表后，被《自然》雜志（29 April 2021年期）作為研究亮點(diǎn)（Research Highlight）報(bào)道。《Nature Materials》（May 2021, Volume 20 No 6）針對(duì)此研究成果進(jìn)行了專門評(píng)述，評(píng)述認(rèn)為由一種由低成本材料制成的表面薄膜，即使在低至-50℃的高濕度環(huán)境中也可以保持無(wú)冰，試驗(yàn)結(jié)果為工程師們帶來(lái)希望，有朝一日真正做到防冰“不成問題”。國(guó)家自然科學(xué)基金委網(wǎng)站也對(duì)該研究論文進(jìn)行了報(bào)道。
從空調(diào)到動(dòng)力傳輸系統(tǒng)的諸多工程應(yīng)用中，物體表面上的凍結(jié)與結(jié)霜會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和安全問題，高效的防冰/防霜方法一直困擾著研究人員。雖然人們已經(jīng)在防冰表面的設(shè)計(jì)和制備上投入了巨大的精力利用光熱轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)防冰除霜，但在極端環(huán)境（超低溫和高濕度）下仍然存在艱巨挑戰(zhàn)。這是因?yàn)楸砻胬淠畷?huì)擋住和反射陽(yáng)光，導(dǎo)致光熱效率的降低，進(jìn)而降低防霜防冰性能。因此，迫切需要開發(fā)出在高濕低溫條件下高效抑制結(jié)冰凍結(jié)的防冰材料。
圖1. CR-SAS仿生表面的制造和表征：（a）基于小麥葉子，采用PLD進(jìn)行CR-SAS制備示意圖;（b）CR-SAS俯視圖像及其潤(rùn)濕角度;（c）CR-SAS的側(cè)視圖像及其表面成分。
圖2.CR-SAS表面冷凝水滴彈跳。（a）冷凝水彈跳過程；（b）冷凝水通過聚合和彈跳連續(xù)地從CR-SAS移走；（c）水滴彈跳移除速率統(tǒng)計(jì)；（d）平衡后水滴彈跳之后表面裸露面積統(tǒng)計(jì)
圖3.在極端低溫高濕條件下，CR-SAS表面可實(shí)現(xiàn)不結(jié)冰
受小麥葉片上水滴彈跳和光熱轉(zhuǎn)化策略的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)使用超快脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)，制造出具有微納米多層結(jié)構(gòu)表面（CR-SAS）。在冷凝水高效自清除和高效太陽(yáng)能吸收的協(xié)同作用下，CR-SAS表現(xiàn)出優(yōu)異的抗反射和光熱轉(zhuǎn)換性能。這得益于微/納米多層結(jié)構(gòu)中的光俘獲效應(yīng)和氧化鐵納米粒子的熱等離子體效應(yīng)。同時(shí)，CR-SAS對(duì)冷凝水展現(xiàn)出超疏水性，其超疏水性能優(yōu)于荷葉表面，不僅對(duì)宏觀毫米級(jí)水滴超疏水，而且對(duì)冷凝微尺度水滴也超疏水。在表面能的作用下，冷凝水在凍結(jié)之前從表面合并彈跳，從而暴露出更多的裸露面積發(fā)生光熱作用。在太陽(yáng)光照射下，即使在-50°C的超低溫和極高濕度（冰過飽和度約為260）的環(huán)境下，CR-SAS表面溫度也大于0°C。更重要的是，CR-SAS可以在不同材料上沉積，且具有優(yōu)異的可靠性，為在實(shí)際防冰應(yīng)用提供了巨大潛力。
論文全文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/18/e2100978118
《Nature》Research Highlight鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-021-01144-2
《Nature Materials》評(píng)述文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01028-w
國(guó)家自然基金委網(wǎng)站報(bào)道鏈接：http://chem.nsfc.gov.cn/Show.aspx?AI=1036
