AM | 文献前沿 | 宏观结构光蓄热超疏水表面的先进防冰策略和技术

研究背景

结冰对人类生命和多种工业过程造成灾难性破坏。目前，超疏水表面（受莲花效应的启发）辅助防冰因其无能量特性而备受关注。本文综述了超疏水表面的设计和功能化防冰的最新进展。依次介绍了常规超疏水表面、宏观超疏水表面和光热超疏水表面的机理和优点。传统的超疏水表面和宏观结构的超疏水面在极端条件下很容易失去疏冰特性，而光热超疏水表面强烈依赖太阳光照。为了解决上述问题，通过开发宏观结构光热存储超疏水（MPSS）表面，找到了一种潜在的智能策略，该表面集成了宏观结构超疏水材料、光热材料和相变材料（PCM）的功能，有望在各个领域实现全天防冰。最后，重点介绍了开发MPSS表面的最新成就，展示了其巨大的潜力。此外，还对MPSS表面的未来发展前景进行了展望，并提出了在实际应用中需要解决的问题。

目前，该文以“Advanced Anti-Icing Strategies and Technologies by Macrostructured Photothermal Storage Superhydrophobic Surfaces”为题在《Advanced Materials》（JCR: Q1, Top, IF₂₀₂₃=27.4）上发表。文章通讯作者为上海交通大学王如竹教授和清华大学吴晓敏教授。

文章解读

图1. 结冰前、结冰中和结冰后超疏水表面的防结冰机制。a） 莲花效应。b） 接触角、接触角滞后和滚动角。c） 卡西·巴克斯特州和温泽尔州。d） 冰核形成前冲击液滴的反弹。e） 凝结液滴的自行跳跃在结冰前自行清除。f） 纳米锥（NC）超疏水表面上的冰成核延迟。g） 液滴下的空气膜增加了热阻。h） MNGF超疏水表面上的冰粘附减少，该表面由覆盖有密集纳米草和分散分布的微群落的微群落阵列组成（表示为MNGF）。i） 融化霜的剥落和跳跃增强了霜的自我清除。

图2. 通过减少接触时间或输送液滴，宏观结构（单/阵列结构）超疏水表面的防冰电位。a） 通过宏观尺度的脊结构将冲击液滴的接触时间减少37%。图示显示了点、圆锥体和圆柱体结构，这些结构也有可能减少接触时间。b） 具有亚毫米锥形柱阵列的超疏水表面上的煎饼弹跳可将接触时间减少80%。如图所示，在具有针阵列、圆柱阵列或脊阵列的超疏水表面上也可以观察到煎饼弹跳。c） 通过单个半圆超疏水脊双向输送分裂液滴，实现高效防冰。图示显示了凹坑、台阶和凹槽结构，它们也可以触发定向液滴传输。d） 倾斜的煎饼在倾斜的Janus结构阵列上弹跳。图示显示了倾斜柱阵列、同心凹槽和非均匀阵列，它们也用于定向传输液滴。

图3. 基于碳材料、纳米颗粒或半导体材料的用于防冰的光热超疏水表面。a） 分子的热振动在碳材料中产生热量。b） 金属纳米粒子的等离子体局部加热。c） 半导体中的非辐射弛豫。d） 基于（i）蜡烛烟灰或（ii）提供分级纳米/微米结构和光热能力的碳纳米管的光热超疏水表面。e） 使用（i）金纳米棒或（ii）TiN纳米颗粒的光热超疏水表面，其光热功能主要由于LSPR效应。f） 基于微米/纳米CuO结构的光热超疏水涂层。

图4. 复合相变材料及其在防冰中的应用。a） 相变材料储存熔化潜热并释放凝固潜热。在相变过程中，相变材料的温度（Tm）是恒定的。插图显示了固化的二甲基亚砜，这是一种用于防冰的PCM。b） 常见的复合相变材料：微胶囊和多孔基相变材料。c） 光热储存超疏水表面的灵感来源于非洲高山植物——特氏半边莲及其全天防冰和除冰机制。

图5. 基于MPCM的光热存储超疏水表面及其在防冰中的应用。a） 双壳MPCM的制造程序。内壳是Cu2O，外壳是半导体材料Cu2-xS。b） 双壳MPCM和Cu2-xS壳上的纳米结构的SEM图像。c） MPCM在一个阳光照射下的温度曲线。温度平台表示PCM核心的相变过程。d） 将MPCMs与十八烷基三氯氢硅的水解和缩聚产物结合，采用喷涂法制备光热存储超疏水表面。e） 光热存储超疏水表面的润湿性及其广泛的适应性。f） 低温高湿条件下光热存储超疏水表面的防结冰。

图6. MPSS表面全天有效防冰。光热材料具有吸收太阳辐射和加热表面的功能，相变材料具有储存太阳热量和控制表面温度的功能，宏观结构的超疏水性具有调节液滴行为、延缓成冰和减少冰粘附的功能。上述所有功能集成在一起，可不同的工程领域实现高效的全天防冰。

文章总结

由于MPSS表面的想法和研究还处于初级阶段，在将表面应用于实际防冰场景之前，仍有一系列方向值得探索和解决的关键问题：

1. MPSS表面的先进制造方法。多种功能的集成并不容易。光热材料、相变材料和超疏水材料的匹配原理尚不清楚。如何制作MPSS表面并显示表面的多种功能仍然是一个挑战。此外，表面的机械性能和耐久性也是工程应用中必须考虑的关键问题。
2. MPSS表面的防冰性能测试和优化。MPSS表面制备完成后，下一步是表面的性能测试，包括光热转换测试、储热测试、超疏水性测试以及一系列液滴冲击和防冰测试，尤其是在低温、高湿度和黑夜的环境条件下。MPSS表面的多种功能应确保它们能够协同工作，以达到预期的防结冰性能。此外，根据测试结果，有必要优化MPSS表面的多种功能的比例。
3. MPSS表面防结冰期间的传热机制。MPSS表面在防冰过程中的传热机理非常复杂。从热源方面来看，它涵盖了太阳热、相变材料潜热、水滴潜热等多种热（冷）源，因此传热线路众多，受光热条件和相变温度的影响较大。此外，在MPSS表面的防冰过程中，还包括多种传热模式，如表面热传导、液滴热传导、对流热传导和辐射热传导。总的来说，要实现MPSS表面的实际全天防冰应用，还有很长的路要走。

文献来源

F. Chu, Z. Hu, Y. Feng, N.-C. Lai, X. Wu, R. Wang, Advanced Anti-Icing Strategies and Technologies by Macrostructured Photothermal Storage Superhydrophobic Surfaces. Adv. Mater. 2024, 2402897.https://doi.org/10.1002/adma.202402897