冰的形成与堆积会对高速列车、电力线、风力涡轮机以及飞机的运行效率造成损害。传统的除冰方法费用高、能耗大、效果有限且对环境不友好。超滑表面(SLIPS)具有良好的延迟结冰以及降低冰粘附力等性能。然而,在极端低温环境中使用时,难免会出现冰水残留并逐渐冻结的情况,从而影响其实际应用效果。相比之下,由碳基材料制成的光热表面在低温条件下,能够借助近红外光(NIR)或阳光照射实现光热除冰。因此,将被动防冰与光热主动除冰技术相结合,对于解决传统SLIPS在恶劣环境中防冰的局限性具有重大意义。
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。
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