专栏名称: 高分子科技

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中南大学陈梅洁等 AFM：透明光热超表面实现高效防/除冰和室内采光

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-19 12:17

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透明材料在建筑和农业温室中承担采光照明等核心功能，但单一光谱辐射特性导致其无法有效应对季节性挑战：夏季太阳辐射引发室内过热与制冷能耗攀升，冬季表面结冰则造成透光率下降与结构安全隐患。尽管透明光热超表面通过光谱选择性吸收（紫外 / 近红外）与可见光透射的协同设计，在平衡光热转换与透光性方面取得进展，但现有研究仍面临三大问题：（ 1 ）中红外波段热辐射损失制约光热转换效率；（ 2 ）低发射率与超疏水性难以协同调控；（ 3 ）超疏水界面 Cassie-Wenzel 态转变导致防冰性能退化。因此，需要从光子工程与界面工程角度出发，实现多波段光谱辐射特性和界面润湿性的协同调控。

基于此， 中南大学能源科学与工程学院陈梅洁副教授 等人通过多层多尺度结构设计开发了一种透明光热超表面（ TSTM ），从下往上依次为透明基底、铯钨青铜（ CWO ）层、环氧树脂层、银纳米线层和二氧化硅（ SiO ₂ ）层（图 1 ）。 TSTM 的光谱辐射特性通过 CWO 层和银纳米线层进行调控，由于局部表面等离子共振和小极化子的作用， CWO 层表现出强烈的紫外 / 近红外吸收，并允许透过绝大部分的可见光；而银纳米线作为一种本征高反射率材料可以有效降低 TSTM 的热辐射，且相比于块状银膜，其多孔结构可有效平衡透光性和低发射率。此外，该团队基于先前对结冰 - 融冰过程中润湿性转变问题的研究（ Small 2024 , 20, 2312226 ； ACS Applied Energy Materials 2023 , 6, 10943-10950 ），通过模板法在环氧树脂层上构筑微米 / 亚微米尺度复合结构，同时与顶层的疏水性 SiO ₂ 纳米颗粒耦合形成多尺度表面结构以实现超疏水性和自发去润湿转变。通过优化制备参数，在保持可见光透过率大于 0.7 的情况下（ 0.731 ）， TSTM 的紫外 / 近红外吸收率、发射率分别为 0.660/0.724 和 0.371 ，并具备超疏水性（接触角为 160.8° ± 1.7° ，滚动角为 2.2° ± 1.2° ）。

TSTM 宽波段的光谱选择性赋予其出色的采光和热管理性能（图 2 ）：绝大部分的可见光可以穿透 TSTM 实现室内照明；强烈的紫外 / 近红外（ UV/NIR ）吸收和低辐射损失以实现界面加热和防除冰；低发射率（反射型隔热）和紫外 / 近红外透过率（吸收型隔热）可在夏季防止室内过热和降低制冷能耗。而多尺度表面结构和光热效应的耦合作用使得 TSTM 相比于传统透明材料具备自发去润湿转变和防除冰性能（图 3 ）：冻结的冰滴在融化后可完全恢复至疏水的 Cassie-Baxter 状态，有效降低界面附着力，促进冰层 / 霜层的快速融化脱离；在 -10 °C 的环境温度和 1 倍光强的照射下， TSTM 可有效防止结霜和在 310 秒内去除 4 毫米厚的霜层。通过材料与结构综合设计，该工作为智能透明超表面开发提供了创新性技术路径。