浙工大劉善秋團隊 Adv. Mater.：通過具有可切換固液態的光/電熱微納米結構設計堅固且超高效的防/除冰表面
結冰是一種由溫度降至冰點或冰點以下的情況引起的普遍的天氣現象。表面結冰對道路運輸、航空、電力線、海上作業等構成重大風險。因此，開發有效的預防和除冰方法至關重要。傳統的除冰方法，如機械和化學除冰，通常涉及復雜、低效的過程，能耗和成本很高。近年來，研究者們逐漸關注被動防結冰策略，迄今為止，超疏水涂層已成為最具前景的被動防結冰解決方案之一。超疏水表面具有微米和納米結構的拓撲結構，可最大限度地減少水接觸，促進延遲冷凍并降低冰的粘度強度。然而，超疏水涂層只能延緩結冰，無法完全防止結冰。
因此，結合被動防結冰與主動除冰功能的光熱超疏水涂層正逐漸成為一種有效的防結冰、除冰材料。盡管光熱超疏水防結冰/除冰涂層的研究取得了顯著進展，但其實際應用仍面臨以下挑戰：（1）在低溫、高濕度環境下，當水蒸氣凝結成微小的液滴時，這些液滴會在固體表面凍結并嵌入其粗糙的納米結構中。在熔化過程中，由于熱效應的影響，這種復雜的微納米結構導致了與融水的顯著機械聯鎖。這個問題不僅降低了除冰的效率，而且由于表面被水潤濕，材料的防冰和超疏水性能也會惡化。（2）大多數光熱超疏水涂層在充足的太陽光照強度下表現優異，但是在寒冷冬季或者夜晚，這樣高強度的太陽光并不常見。（3）超疏水涂層的結構穩定性不足也限制了其實際應用。
為此，該團隊提出了一種新穎的高強度超高效防/除冰表面設計（圖1）。通過在微納米結構上施加動態固液相變涂層（石蠟層），在熱誘導條件下的除冰過程中在其表面實現了非極性液態。這種轉變顯著減少了水分子與微納米結構表面之間的分子級相互作用，有效地避免了機械聯鎖和融水滲透的問題。因此，即使在水蒸氣在微納米結構內凝結和凍結，在模擬的自然結冰條件下形成機械聯鎖后，工程表面仍表現出卓越的除冰效率。為了進一步增強表面對機械磨損的抵抗力，應用激光蝕刻為表面配備了高強度的微米級防護裝甲，這確保了表面即使在經過廣泛的機械磨損后也能保持其功能。工程表面表現出超高效、長期穩定的防/除冰性能和優異的超疏水性，結冰延遲≈1250秒，光熱除冰8秒，水接觸角165°，滑動角0.2°。此外，在0.93MPa下進行400次線性磨損循環后，表面保持了有效的防冰/除冰能力和拒水性。這項工作為設計具有魯棒性和高效防冰/除冰性能的新型材料提供了見解，有可能將其應用擴展到更廣泛的現實世界場景。
圖1：RADS的設計、制造和形態特征。a) RADS設計和制造過程的示意圖。b) SEM圖像和c) 通過飛秒激光蝕刻在載玻片上制造的微柱陣列的相應共聚焦顯微鏡圖像。d) 原位生長的聚倍半硅氧烷納米線的SEM圖像，e) 負載聚吡咯納米顆粒（90分鐘），然后f) 三氯乙基硅烷疏水化處理，g) 熱響應相變納米涂層的應用。h–j) 分別呈現圖像d)、e)和g)的共聚焦顯微鏡對應圖片。
圖2: 結構參數對表面潤濕性和機械化學耐久性的影響。a) 不同微柱陣列的RADS的超疏水性。b) 展示RADS低粘附性和優異防水性的照片。c) 線性磨損試驗示意圖。在200次極端線性磨損循環期間，d) 接觸角和e) 滑動角的變化。酸堿腐蝕下RADS的f) 接觸角和g) 滑動角的變化。h) 極端溫度（-196℃和150℃）、紫外線照射和高濕度（90%RH）下超疏水性的耐久性。
圖3: 防冰和光/電熱除冰。a) 結冰延遲時間和b) 不同表面形態的RADS的冰粘附強度。c) 1.0太陽光照下RADS的溫度-時間曲線。d) 熱紅外圖像和e) 顯示RADS在1.0太陽光照下有效除冰的照片。f) 10 V直流電壓下RADS的溫度-時間曲線。g) 紅外圖像和h) 照片展示了RADS在10 V直流電壓下的有效除冰。i) RADS的光熱和電熱除冰時間。在除冰試驗中，RADS的傾斜角度為30度。
圖4: 防冰/除冰的長期穩定性和機械耐久性。a) 連續五個光/電熱除冰循環中除冰時間的變化。b) 在連續五個周期內，在1個太陽光照下進行光熱循環。c) 光熱和電熱除冰15個周期后超疏水性的變化。d） 冰延遲時間隨線性磨損循環次數的變化。e) 在1.0太陽光照下的光熱轉換和f) 在400次線性磨損循環前后在10V下的電熱轉換。g) 冰層從表面滑落，h) 熱紅外圖像顯示了400次線性磨損循環后，RADS在1.0太陽光照下的溫度升高。i) 在400次線性磨損循環后，冰層在10V下從表面滑落。J) 在400次線性磨損循環后進行5次光熱和電熱除冰循環后的表面潤濕性。k) 400次線性磨損循環前后表面形態的SEM圖像。
圖5: 除冰過程中機械聯鎖的破壞及其機理。a) 在自然寒冷環境中，由于水蒸氣凝結和凍結，冰層和表面微納米結構之間的機械聯鎖示意圖。b) 1太陽光照下除冰性能的比較以及c) RADS和傳統光熱超疏水表面除冰后表面干燥度和超疏水性的評估。d) RADS和同行報告的光熱超疏水表面之間除冰時間和除冰后潤濕性的比較。紅色區域表示非濕潤表面，藍色區域表示有積水的表面。e) 冰中殘留水分子百分比的趨勢以及f) 冰質心與表面之間的距離隨溫度的變化。g) RADS在光/電熱條件下的有效除冰機制示意圖。
該研究成果以“Robust and Ultra-Efficient Anti-/De-Icing Surface Engineered Through Photo-/Electrothermal Micro-Nanostructures With Switchable Solid-Liquid States”為題發表在Advanced Materials上，該文的第一作者為浙江工業大學材料科學與工程學院的碩士研究生劉秋悅，通訊作者為劉善秋教授。該工作得到了國家自然科學基金的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410941
