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【编辑推荐】为解决现有结冰预测技术受多因素干扰、准确性不足的问题，研究人员开发结冰预测水凝胶（IFH）装置，通过调控冰核蛋白（INPs）含量精准控制 - 6 至 - 28℃的预警时间，结合颜色分级系统提升精度，在风力发电机应用中提前 70 分钟启动除冰，验证其在防结冰领域的实用价值。
冬季低温环境中，结冰现象对风力发电、电网设施和交通系统构成严重威胁。现有防结冰策略多聚焦于除冰设备和材料开发，却忽视了结冰预测机制与装置的关键作用。传统结冰检测技术依赖冰形成初期的物理信号（如电导率、温度变化），但冰核形成的随机性和快速传播特性（类似多米诺效应，数分钟内覆盖表面）导致预警时间不足。气象数据模型虽尝试通过历史数据预测，但复杂环境中多因素（如表面粗糙度、污染物、气象条件）的动态干扰使其精度受限。因此，开发一种能提前捕捉冰核形成、适应宽温域且具备可视化预警能力的技术，成为破解结冰灾害预防难题的关键。
北京理工大学材料科学与工程学院等机构的研究人员，受耐寒植物中冰核蛋白（INPs）调控细胞外结冰的生物机制启发，开发了一种结冰预测水凝胶（IFH）装置，并将研究成果发表于《Nature Communications》。该装置通过封装 INPs 和聚合诱导发射分子（AIEgens），实现了对结冰事件的提前预警与可视化分级，为主动防结冰技术提供了全新思路。
研究采用的关键技术方法包括：
- 水凝胶制备：通过紫外聚合制备聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，封装不同浓度 INPs 和 AIEgens（如 TPP-Na、TPE-Na?等）。
- 荧光光谱分析：利用荧光分光光度计监测水凝胶冷冻过程中荧光信号变化，实时追踪结冰动态。
- 差示扫描量热法（DSC）：测定水凝胶的冰核温度（T?），验证 INPs 对结冰温度的调控能力。
- 实际应用测试：将 IFH 装置集成于风力发电机叶片，对比有无装置时的发电效率与除冰能耗。
生物启发的结冰预测概念
研究发现，INPs 可加速过冷水结冰，使 IFH 装置的冻结时间（t?）显著早于环境水（t?）。通过公式 t?= t??-t??计算预警时间，IFH-B1（含 1 mg/mL INPs 和蓝色 AIEgens）在 - 6℃至 - 28℃范围内可提供 1-110 分钟的预警时间。100 次独立冷冻实验显示，IFH-B1 的预警时间稳定在 110 分钟，且经 100 次冻融循环后性能保持不变，证明其重复性与耐久性。
基于 INPs 和 AIEgens 的颜色分级预警
合成的 AIEgens（蓝、绿、黄、红四色）在冷冻时因分子聚集产生荧光信号，对应不同预警等级。通过调节 INP 浓度，IFH 的冰核温度（T?）可精准控制在 - 6℃至 - 28℃，每级精度达 1.7℃。例如，IFH-B1（蓝色）、IFH-G6（绿色）、IFH-R11（红色）在冷却速率 1℃/min 时，预警时间分别为 25、21、10 分钟，实现了颜色与风险等级的直观关联。
结冰预测装置的设计与应用
IFH 装置集成光学系统，通过光纤传输荧光信号至光谱仪，自动触发除冰系统（如电加热）。在风力发电机测试中，未装 IFH 的机组因结冰导致功率骤降并停机，而装备 IFH 的机组提前 70 分钟启动电加热，2 小时内多发电 1898 kWh，能耗仅增加 32 kWh，显著提升能效与安全性。
结论与讨论
该研究开发的 IFH 装置通过模拟生物结冰调控机制，结合可视化荧光信号与宽温域适应性，突破了传统结冰预测的技术瓶颈。其核心创新在于利用 INPs 的冰核促进特性实现预警时间精准调控，同时通过 AIEgens 的荧光响应构建分级预警体系。现场测试证实，该装置可显著提升风力发电系统的抗冰能力，兼具节能与安全优势。尽管在干燥环境中可能面临脱水挑战，但其在高湿度场景的有效性及无线化、小型化改进潜力，预示了在电力、交通、基础设施等领域的广泛应用前景。该研究为主动防结冰技术提供了跨学科范本，推动了生物启发材料在极端环境中的工程化应用。
