重大发现：零下60℃防冰的超疏水、选择性光热表面！
寒冷环境下，冰和霜易凝结于飞机机翼、火车轨道、高压电线等处，造成了巨大的安全隐患。因此，如何有效阻止或者延迟冰在低温表面上的成核和生长成为亟待解决的问题。传统的机械振动除冰、化学除冰和电加热除冰不但与可持续发展的世界主题相悖，而且除冰过程容易破坏表面。
近些年随着材料科学的发展，研究人员利用防冻蛋白、表面疏水处理或添加润滑层等方法成功提高了表面的防结冰或除冰能力。但是，这些表面制备方法复杂，成本高昂，并在极端低温条件下易失效，这些缺点限制了它们在实际生产中的应用。
为了解决上述问题，香港科技大学团队合作开发了一种低成本高效率的太阳能光热防冰融冰超疏水表面，成功实现了低至零下60摄氏度超低温下的防冰。
该表面通过化学刻蚀法及溶液旋涂法制备，将氮化钛(TiN)光热纳米颗粒镶嵌在具有微纳结构的铝表面上，同时实现了三种效力：其一，微纳结构及光热纳米颗粒的协同效应提高了表面的光捕捉效率，其二，通过合理的控制微纳结构的尺度和纳米粒子的厚度，得到了低红外发射率表面并极大地降低了辐射热损失，其三，改性处理后表面具有超疏水性(图1)。
为了实现高光热转换效率，表面需要在提高太阳能吸收率的同时减小热损失。作者在之前工作中制备了基于TiN纳米颗粒的具有光谱选择性的太阳能吸热涂层(selective solar absorber，SSA)，实现了在0.3-2.5 μm太阳光谱高吸收率，>2.5 μm中红外波段低发射率，获得了远高于其他无选择性黑体的光热效率(图2)。但此处为了实现超低温下防冰，表面需要同时满足高太阳能吸收率、光谱选择性和超疏水性三个特性。
作者通过控制化学刻蚀和颗粒涂覆工艺以优化微纳米结构的形貌成功实现了上述目标。表面的疏水性、选择性受刻蚀时间的具体影响：当刻蚀时间过短，微纳表面易被光热粒子覆盖失去超疏水性；刻蚀时间过长会导致表面孔隙过大，增强中红外光的吸收，从而失去选择性(如SHB)。
作者在优化工艺后得到了接触角约为162°，滚动角约为5°，光热转化效率71%的选择性超疏水光热表面(SHSSA)。优化后的表面光谱如图2所示，尽管超疏水非选择性光热表面(SHB)有着最高的太阳光吸收率，但高达96%的发射率降低了总的光热转换效率。在一个标准太阳光下，选择性超疏水光热表面(SHSSA)的温升达到了61 ℃，高于非选择性超疏水光热表面(SHB)的52 ℃。
得益于选择性吸收光热表面的高光热转换效率，本文首次成功实现了在低至-60 ℃的极寒环境下的防冰。在环境及底面温度均达到热平衡后1000 s，液滴依然未完全结冰(图3)。
在除冰和除霜实验中，对比未作疏水处理的选择性光热表面(SSA)，疏水选择性光热表面(SHSSA)能够在融化底部冰或霜后形成空气层，帮助未融化的冰或霜快速滑落(图4-5)。这种除冰除霜方式不但节省了时间，同时避免了融化后的水残留在表面继续吸收热量或再次结冰。同时作者展示了光热效应融霜融冰不会对表面微纳结构产生破坏，SHSSA在多次除冰循环后疏水效果和光热效果均未受影响。
综上所述，本文通过调节微纳米结构，得到了具有超疏水和光谱选择性的光热防冰表面。相比于非选择性的超疏水光热表面，在标准太阳光下表面温度显著提升，因此实现了在极寒冷条件下防止液滴结冰。此外，得益于超疏水特性，底面的冰或霜被融化后形成空气层，使上层未融化的冰霜滑落，同时在多次重复结冰融冰循环后展现了良好的稳定性。此外，SHSSA为全溶液法制备，成本低，可大规模制造，为极度寒冷条件下防冰除冰提供了高性价比且可靠的选择。
