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  冷表面上結冰和積冰常常給人類帶來不便或災難性的后果。被動防冰本是防止低溫表面結冰的理想策略，但因難以克服降溫過程中冰核形成的熱力學驅動力，且傳統設計方法依賴經驗或試錯，實際效果常不理想甚至適得其反。光熱防冰雖提供了一種低成本、環保的主動防冰方案，但當前使用的光熱材料因廣譜吸光特性，始終面臨效率提升與透明度維持難以兼得的矛盾。

圖1. 主被動協同的防冰策略

  近期，河北工業大學白國英教授課題組及香港理工大學王鉆開教授團隊報道了一種主被動結合的新型透明防冰涂層設計策略（圖1），其結合了：（1）一種非常規、非試錯性的被動策略，通過納米尺度（臨界冰核尺度）的界面工程來提高冰核形成所需的熱力學驅動力閾值（即冰成核自由能勢壘）；（2）一種主動光熱策略，采用具有可見光透明性的光譜選擇性材料。這種協同策略使設計的透明涂層上的水，在無陽光照射下、-25 °C（保守低溫）乃至-30 °C（極端低溫）中，能保持至少1小時不結冰；而在光照下持續不結冰。該方法簡單、有效、通用，而且有望通過進一步減小界面工程化的尺度和優化材料類型（使用更加成核惰性的材料），制備出更優異的透明防冰涂層。相關研究成果以“Transparent Anti-icing Coating via Synergistic Nanoscale Interfacial Engineering and Spectral-Selective Photothermy”為題發表在Advanced Functional Materials期刊上。河北工業大學材料科學與工程學院李東升同學為第一作者。此研究工作得到國家自然科學基金、中央引導地方科技發展資金項目、天津市青年科技人才培養項目的資助支持。

圖2. 結合主動和被動防冰策略的可見光透明涂層

  如圖2所示，針對獲取真正基于抑制冰核形成的非試錯式被動防冰方法這一問題，作者提煉了影響冰核形成的關鍵表面特性——界面尺寸，并提出一種將宏觀界面分割至與成核相關尺度的納米界面工程方法，以提高冰成核自由能勢壘。針對當前光熱材料在主動防冰中難以兼顧效率與透明性的問題，作者選用可見光透明的光熱材料，以實現對太陽光譜的選擇性吸收。具體而言，制備了預混近紅外（CTB）和紫外光（MBBT）吸收材料的聚合物（如聚丙烯酸）涂層，并對其表面進行納米結構化，使界面尺寸達到臨界冰核尺度。該方法在保持高透明度的同時，賦予涂層顯著的抑冰能力和光熱性能。例如，在-30 °C的低溫和高濕度下，涂層玻璃基板表面溫度迅速上升至11 °C，維持無霜狀態。

圖3. 透明和光熱性能

  圖2展示了涂層的透明性及光熱性能。在1.0太陽光照下，涂層溫度可快速上升40 ℃，即使在-40 ℃的溫度下，涂層表面仍可以保持在0 ℃以上。在相同溫升下，所設計涂層的透光率損失僅為寬光譜吸收光熱防冰涂層的20%。

圖4. 冰成核抑制能力

  圖4展示了涂層的冰成核抑制能力。使用該涂層后，玻璃基底的冰成核溫度下降了2.4 ℃，在?29 ℃時，冰成核延緩時間延長了7545 s。通過計算界面相關因子f(m, x)，發現涂層的引入的確增加了冰成核的自由能壘。此外，作者在聚合物固化過程中利用壓印法直接賦予涂層固有的納米結構，即通過改變表面化學，獲得了冰成核能壘更高的涂層Nano-PMC-2。該涂層比玻璃基底的冰成核溫度低3.2 ℃，在?30 ℃下比玻璃基底的冰成核延緩時間長2.2小時，且具有良好的環境耐久性。

圖5. 涂層的主動和被動防冰性能

圖6. 涂層的除冰和除霜性能

  該工作是團隊研究水相變調控及其應用的最新進展之一。團隊在繼揭示純水結冰的微觀圖像之后（Nature 2019, 576, 437），又揭示了不同溶液體系中水結冰的機制（Nano Lett. 2025, 25, 2017），這充分證實了臨界冰核存在的普適性，而且還給出了冰成核在簡單純水體系與復雜溶液體系中的統一物理圖像，揭示了界面尺寸控制冰成核的奧秘。此外，團隊還在研究表界面性質如何影響冰成核及水冷凝方面做出了一系列成果。例如，在表面化學影響冰成核方面，揭示了極性對冰成核的影響規律（Appl. Surf. Sci. 2022, 602, 154193； J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 11564）以及碳材料尺寸與氧含量耦合作用對冰成核的影響（J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 2950）。在界面形貌影響冰成核方面，首次從實驗上揭示了納米尺度凸、凹形貌對冰成核的影響規律（https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02069），解決了不同報道之間以及實驗結果與經典成核理論之間關于表面形貌對冰成核影響的矛盾。這些均為理想控冰材料的設計提供了指導。在表界面性質影響水冷凝方面，首次發現了影響冷凝成核的表面分子構象因素，提出了不同于傳統的冷凝調控新策略，且可以拓展到水以外的其他物質的相變體系，從而開創了微觀分子尺度上的特征變化影響水相變的新領域（Nat. Commun. 2024, 15, 3132）。最后，團隊提出了基于控冰技術的材料聚集態控制新方法，通過可控地凍結含有二維材料（如MXene）的分散液，實現了可選擇地、可逆地調節二維材料的有序堆積和單層剝離（Small 2024, 20, 2311218）；通過合理使用控冰技術，完整保留了處于溶液分散狀態時聚合物分子間（如聚乙烯醇及水溶性共軛聚噻吩）的相互作用，即對聚合物分子的分散狀態和構象進行了固定，解決了發光共軛聚合物稀溶液在干燥形成固體時的熒光淬滅問題（Acta Chim. Sinica 2022, 80, 921）。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202513944