光-热-电协同自排液超滑表面实现水平器件实时抗/除冰技术

本研究针对极端环境下水平表面融冰液滴易二次冻结的难题，开发了一种具有光-热-电协同效应的自排液超滑表面（SDSS）。通过将热释电层（LN/PVDF/PZT）夹在光热层（CNTs/PDMS）与超滑表面之间，实现了-20°C环境下仅需阳光照射（100 mW cm-2）即可使液滴自发脱离水平表面，10分钟内清除冰层。该技术突破了传统光热材料（TPS）残留液滴易复冻的瓶颈，为极地设备、电力设施等提供了新型节能抗冰方案。

　　

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研究背景

极地冰灾每年造成全球超百亿美元损失，传统机械/化学除冰方式能耗高（>5 kW m^-2）且污染环境。现有光热超疏水表面（PSHS）和光热超滑表面（PSS）虽能延缓结冰，但水平面上融化的液滴在光照停止后会迅速复冻。更棘手的是，微纳级冷凝液滴因重力不足难以自主脱离，导致抗冰系统失效。如何实现水平表面液滴自发清除，成为抗冰材料开发的"圣杯"难题。

技术方法

研究团队通过旋涂法构建三明治结构：顶层为硅油浸润的PDMS超滑膜（50 μm），中层为透明锂铌酸锂单晶（LN，500 μm），底层为碳纳米管复合PDMS光热层（600 μm）。采用静电电压表测量表面电势，法拉第杯量化液滴携带电荷，数字力计测试冰粘附强度，并在-20°C/80%RH环境中模拟极端条件。

研究结果

1. 设计原理与结构表征

SDSS在1 sun光照下表面温度达19.8±2.2°C（环境-20°C），超滑表面使水滴滑动角仅2.8±0.6°。对比传统光热表面（TPS），10 μL冷滴（0°C）可在水平SDSS上自发移动至边缘。

2. 水平自排液机制

热释电效应是关键：当0°C液滴接触20°C的SDSS时，温度梯度使LN偶极子重排，形成双电层并转移0.22±0.05 nC电荷。静电排斥力推动带正电液滴移动，电荷密度达80 nC cm^-2（ΔT=20°C）。离子溶液（如1M NaCl）使液滴速度提升4倍至22 mm s^-1。

3. 光热性能调控

CNTs含量50 wt%时光热转换最优（ΔT=64.5°C），透明LN（透光率0.88）比不透明PZT（透光率0.12）温度提升高6倍。表面电势与光强呈正比，320 W/cm²照射时达12 kV。

4. 抗/除冰性能

在-20°C持续光照24小时，SDSS表面无冰层形成。对于预冻冰层，8分钟内即可完成融冰-排液全过程，而TPS表面残留液滴在光照停止5分钟后即复冻。经100次冻融循环，SDSS冰粘附强度仍保持稳定。

结论与意义

该研究首创性地将热释电效应引入抗冰领域，通过光-热-电三重协同作用，解决了水平表面液滴自主清除的世界性难题。SDSS在极端环境下展现的"零能耗"除冰特性（仅需阳光），为极地科考装备、风电叶片等特殊场景提供了革命性解决方案。Xiao Han和Xu Sun等作者在《Nano-Micro Letters》报道的这项工作，标志着抗冰材料从"被动防护"到"主动清除"的范式转变。