文獻(xiàn)快訊：AM 仿生微納晶體陣列：實(shí)現(xiàn)高效光熱除冰的超疏水超材料

【成果掠影 & 研究背景】

冰的積累會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、航空、電網(wǎng)等造成嚴(yán)重危害。目前，光熱超疏水表面在防/除冰領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力，但其性能高度依賴于精密的微納分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)制備方法如光刻成本高昂，而噴涂、化學(xué)沉積等方法則難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)均勻性與性能的可控調(diào)節(jié)。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)受芋頭葉片啟發(fā)，開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)化微/納晶體陣列光熱超疏水超材料（SMNA-PSM）。該材料通過物理沉積過程中的“陰影效應(yīng)”，在預(yù)制微凸結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)出具有豐富納米褶皺的柱狀晶體陣列。此結(jié)構(gòu)將沉積的金屬-絕緣體-金屬（MIM）多層膜轉(zhuǎn)化為尺寸、角度和厚度各異的異質(zhì)諧振器，從而將離散的吸收峰轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)吸收帶，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96%的太陽(yáng)光譜（0.2-2.5 μm）吸收率。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)沉積材料，表面能從疏水切換到超疏水，水接觸角高達(dá)160°。實(shí)驗(yàn)表明，在1個(gè)太陽(yáng)光照下，材料表面2.5毫米厚的霜層可在120秒內(nèi)快速融化；即使在0.5個(gè)太陽(yáng)的低強(qiáng)度光照下，霜層也能在480秒內(nèi)完全消失。該研究為高性能光熱超疏水材料的微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供了新思路。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 仿生結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

  受芋頭葉片微凸結(jié)構(gòu)與表面納米褶皺啟發(fā)，設(shè)計(jì)了規(guī)則的六方密排微凸結(jié)構(gòu)基底，作為構(gòu)建分級(jí)結(jié)構(gòu)的模板。

• “陰影效應(yīng)”構(gòu)建微納陣列

  利用磁控濺射物理沉積過程中的固有陰影效應(yīng)，在微凸結(jié)構(gòu)上自發(fā)形成具有豐富納米級(jí)褶皺的鋁柱狀晶體陣列，避免了復(fù)雜且昂貴的納米級(jí)光刻工藝。

• 異質(zhì)諧振器實(shí)現(xiàn)寬帶吸收

  結(jié)構(gòu)化晶體陣列的豐富表面，使得沉積其上的MIM（Ti@PTFE-SiO?-Ti）薄膜形成大量尺寸、角度、厚度各異的異質(zhì)諧振器。它們提供了更多的電磁波響應(yīng)位點(diǎn)和散射面，將均勻MIM結(jié)構(gòu)的分離吸收峰轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)吸收帶，實(shí)現(xiàn)了96%的寬帶太陽(yáng)能吸收。

• 梯度成分設(shè)計(jì)兼顧性能

  頂層Ti@PTFE采用梯度共濺射策略，Ti含量從底部到頂部遞減。這種設(shè)計(jì)既利用底部Ti納米顆粒的局域表面等離子體共振增強(qiáng)光吸收，又確保了頂部為低折射率、低表面能的純PTFE，同時(shí)優(yōu)化了阻抗匹配與超疏水性。

• 優(yōu)異的防/除冰性能與穩(wěn)定性

  材料結(jié)合了高效光熱轉(zhuǎn)換與超疏水性，能快速融化冰霜并使水滴滾落。經(jīng)過50次光熱除冰循環(huán)和大量水滴沖擊實(shí)驗(yàn)后，其微納結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，展現(xiàn)了良好的耐久性。

• 工藝優(yōu)勢(shì)

  該方法基于物理氣相沉積，具有性能可調(diào)、均勻性好、基底友好、易于規(guī)模化等薄膜工藝優(yōu)勢(shì)，為可控制備微納分級(jí)結(jié)構(gòu)提供了新途徑。

Figure 1. SMNA-PSM的設(shè)計(jì)與制備示意圖。
Figure 2. SMNA-PSM的微納分級(jí)結(jié)構(gòu)表征。

Figure 3. SMNA-PSM的超疏水性能。

Figure 4. SMNA-PSM的光熱性能。

Figure 5. SMNA-PSM的防/除冰性能。

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究成功開發(fā)了一種基于結(jié)構(gòu)化微納晶體陣列的光熱超疏水超材料。該材料通過巧妙的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與物理沉積工藝，同步實(shí)現(xiàn)了極高的太陽(yáng)光吸收率與超疏水性，在防冰（延遲結(jié)冰）和除冰（快速光熱融化）方面均表現(xiàn)出卓越性能。其核心創(chuàng)新在于利用簡(jiǎn)單的工藝過程，構(gòu)建了可精確調(diào)控的微納分級(jí)結(jié)構(gòu)，并將均勻薄膜轉(zhuǎn)化為異質(zhì)諧振器陣列，從而協(xié)同優(yōu)化了光熱與潤(rùn)濕性能。這項(xiàng)工作不僅為解決冰災(zāi)問題提供了一種高效、低能耗的主動(dòng)/被動(dòng)協(xié)同方案，也為高性能微納結(jié)構(gòu)超材料的可控制備與功能集成提供了新的設(shè)計(jì)范式。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202516655

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