吉林大学张成春教授Adv.Sci.：仿生无氟多功能光热表面，用于防/除/驱冰和液滴操控

近日，吉林大学工程仿生教育部重点实验室张成春教授团队在ADVANCED SCIENCE期刊上发表“Bionic Fluorine-Free Multifunctional Photothermal Surface for Anti/de/Driving-Icing and Droplet Manipulation”文章，该文将壁虎皮肤的微纳米结构与猪笼草的滑溜溜特性相结合，基于碳纳米管复合材料制备了超滑光热阵列(S-PS)，不仅实现了有效防/除/驱冰，而且能够进行多功能液滴操控。文章通讯作者是吉林大学生物与农业工程学院、仿生科学与工程学院张成春教授，第一作者是其博士生王琳。本课题得到了国家自然科学基金、吉林省科技发展计划、山东省自然科学基金和泰山产业领军人才工程的支持。

静态与动态防冰

评估了−20°C和−30°C的环境温度下不同表面的静态防冰性能。结果表明， S-PS表现出最长的延迟结冰时间，表明具有良好的静态防冰能力。更重要的是，即使是磨损的S-PS也表现出比SHS和PS更好的结冰延迟性能。除此之外，该文进行了不同表面的动态防冰测试。在−20°C，即使受到过冷水滴的反复冲击28 次，液滴仍能从磨损前后的S-PS表面成功滑落。这是因为硅油的低表面摩擦力使水滴能够沿着S-PS表面滑动，与裸露表面相比，能量损失更少。与其他表面相比，S-PS表现出最佳的动态防冰性能。

图1 S-PS、磨损后S-PS、商用超疏水喷雾修饰的表面(SHS)以及无微纳米结构的光热表面(PS)在不同温度下的防冰性能测试

光热除冰与冰的驱动

在极端低温环境条件下，表面可能出现冰水残留以及防冰效果降低的情况，赋予材料除冰性能显得至关重要。S-PS表面展现出优异的光热转换能力。在 808nm 激光(NIR)照射下，S-PS以及磨损后的S-PS的光热除冰时间明显低于未添加碳纳米管的表面，并且磨损后的S-PS依然保持着稳定的除冰性能，其除冰时间约为原始 S-PS 光热除冰时间的两倍。虽然冰在 S-PS表面融化所需时间较短，但除冰的主要目标是迅速将冰从表面去除，而非完全使其融化。该文还进行了表面倾斜除冰测试。S-PS和磨损后 S-PS表面的冰滴在润滑剂的作用下，30 秒后开始滑动。以上情况证明了磨损前后的 S-PS表面均具有良好的光热性能。另外，通过对光热除冰过程的研究发现，冰滴在1W NIR照射下定向移动并逐渐融化，这对于表面的主动除冰具有重大意义。

图2 在NIR照射下不同表面上的光热除冰过程以及不同规模冰滴的驱动

液滴的多功能操控

此外，S-PS凭借良好的光滑性与光热性能的协同作用，在液滴操纵领域具有极大的潜在应用价值。在NIR单侧照射下，液滴两侧会出现温度变化，由此产生的温度梯度能够诱导马兰戈尼流生成，进而驱动液滴。S-PS可以实现液滴的水平移动、合并、微化学反应、反重力操控以及可编程操控。

图3 在NIR照射下各种形式的液滴操控

总之，该文利用一种简单、无氟且低成本的策略，将硅油注入微纳米分层结构中，成功制备出具有稳定光热性能的S-PS。这为改进集成多功能表面提供了一条可行的途径，可用于防/除/驱冰和液滴操控。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202409631

作者简介：

张成春，吉林大学生物与农业工程学院、仿生科学与工程学院教授，博士生导师，现任国际英文期刊Droplet创刊总编、副主编，工程仿生国家地方联合工程实验室主任。研究兴趣包括仿生飞行器与仿生动力系统、以及与之相关复杂流体与复杂流动等。在Progress in Materials Science、ACS NANO、ADVANCED SCIENCE、Chemical Engineering Journal等期刊发表论文80余篇，获得中国发明专利授权26件，出版专著1部。

王琳，吉林大学生物与农业工程学院、仿生科学与工程学院博士在读，研究兴趣为仿生表面防/除冰，以及智能液滴操控，至今在ACS NANO、Progress in Materials Science、ADVANCED SCIENCE等期刊发表多篇研究论文。