石墨烯表面形貌对水结冰起始温度的影响机制研究：基于钌薄膜生长方法的对比分析

为解决透明防冰涂层在工业应用中的关键问题，研究人员通过对比物理气相沉积(PVD)和热激光外延(TLE)两种方法制备的钌薄膜基底石墨烯样品，系统研究了表面形貌对结冰起始温度(TN)的影响机制。研究发现采用TLE法制备的15 nm超薄钌薄膜基底石墨烯表现出优于传统PVD 200 nm样品和氟化石墨烯的防冰性能(-23°C)，证实表面纳米级凹坑曲率(R<10rc)是决定TN的关键因素，为透明防冰材料设计提供了新思路。

　　

在寒冷气候条件下，飞机机翼结冰导致的气动性能下降、风力发电机叶片积冰造成的效率损失、以及汽车挡风玻璃结雾引发的安全隐患，每年造成数百亿美元的经济损失。传统主动防冰技术如电加热或化学除冰存在能耗高、环境污染等问题，而透明被动防冰涂层的开发一直是材料科学领域的重大挑战。石墨烯因其独特的二维结构、近90%的光透过率和卓越的机械强度，被视为理想候选材料。然而，此前研究多聚焦于化学修饰对防冰性能的影响，忽略了基底表面形貌的关键作用。

西班牙国家研究委员会(CSIC)联合多国团队在《Thin Solid Films》发表的研究，通过创新性地对比物理气相沉积(PVD)和热激光外延(TLE)两种钌薄膜生长技术，揭示了石墨烯防冰性能的形貌效应机制。研究采用氦原子散射(HAS)表征表面完整性，原子力显微镜(AFM)量化纳米级曲率分布，结合定制化的低温光学显微系统精确测定结冰起始温度。特别值得注意的是，团队首次在实验中发现超平滑蓝宝石基底(Sapphire2)与最佳石墨烯样品(GRu2)具有相当的防冰性能(-25°C)，这一现象颠覆了传统认知。

在"材料与方法"部分，研究团队制备了四组石墨烯/钌/蓝宝石样品(GRu1-4)，其中GRu1采用改良的酸清洗和等离子处理基底，GRu2-4则应用新型TLE技术。关键创新在于通过高能反射电子衍射(RHEED)实时监控钌薄膜生长，确保原子级平整度。结冰实验使用5μL去离子水滴，在受控湿度环境下以1°C/min降温速率观测结晶过程，每个样品重复50次以统计T_N分布。

"结果"部分显示：TLE法制备的15nm钌薄膜(GRu2)表现出10.9%的氦反射率，显著优于传统PVD样品(4.6%)。AFM曲率分析证实GRu2表面存在2-20r_c(约3.4-34nm)的特征凹坑，恰好处于QLL-CNT理论预测的最佳曲率范围。对应的T_N中值达-25°C，标准差仅±1°C，性能超越已报道的氟化石墨烯(-23°C)。

"讨论"部分深入阐释了表面曲率与准液态层(QLL)的协同效应：当凹坑曲率R≈2r_c时，冰核与QLL的接触角(Θ_IW)增大，导致成核能垒ΔG_het趋近于ΔG_hom。这解释了为何化学组成差异显著的GRu2和纯蓝宝石能表现出相近的T_N。研究还发现表面粗糙度RMS>15nm时，宏观凹凸结构会抵消纳米凹坑的积极作用。

该研究确立了"表面纳米曲率工程"作为透明防冰材料设计的新范式，其理论意义在于验证了QLL-CNT模型对二维材料的适用性，实践价值在于指明超薄金属过渡层(TLE法)与特定曲率分布的协同优化路径。根据结论，未来光伏面板、光学传感器等透明器件的防冰涂层开发，应优先控制2r_c<>_c的纳米凹坑密度，而非过度依赖化学改性。这一发现为开发新一代节能环保型防冰技术提供了重要理论基础。