香港城大曹之胤教授《自然·通訊》：新型智能薄膜實現(xiàn)“冬暖夏涼”：可自我調(diào)節(jié)的光熱防除冰技術(shù)問世！

全球范圍內(nèi)，飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰、輸電線路覆冰以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片凍結(jié)等問題，長期以來對基礎(chǔ)設(shè)施安全與能源供應(yīng)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)防除冰技術(shù)能耗巨大且存在環(huán)境隱患，而近年來興起的被動式光熱超疏水材料雖展現(xiàn)出潛力，卻普遍面臨一個致命缺陷：在夏季，其強(qiáng)大的光熱轉(zhuǎn)換能力會導(dǎo)致表面過度升溫（甚至超過100°C），這不僅加速了材料老化，還可能損害精密設(shè)備，并加劇城市熱島效應(yīng)。面對這一亟待解決的全年熱管理難題，科學(xué)家們一直在尋找一種能夠根據(jù)不同季節(jié)動態(tài)調(diào)節(jié)自身熱性能的理想材料。

香港城市大學(xué)曹之胤（Chi Yan Tso）教授團(tuán)隊、北京科技大學(xué)褚福強(qiáng)教授合作，成功開發(fā)出一種名為“溫度自適應(yīng)光熱儲存超疏水薄膜”（TAPSS）的三層結(jié)構(gòu)智能材料。該薄膜集成了光熱轉(zhuǎn)換、相變儲能、熱致變色與超疏水四大功能，能在冬季呈現(xiàn)黑色以最大限度地吸收太陽能進(jìn)行高效防除冰，而在夏季則自動轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨苑瓷潢柟猓粍拥胤乐惯^熱。其核心性能表現(xiàn)卓越，冬季太陽吸收率高達(dá)92%，夏季太陽能調(diào)制能力達(dá)到62%，這不僅將零下20°C環(huán)境下的結(jié)冰時間延長了10倍，還能在炎熱天氣中將表面溫度降低高達(dá)17°C，為全球范圍內(nèi)的建筑節(jié)能和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的全天候防護(hù)開辟了新路徑。相關(guān)論文以“A self-regulated photothermal anti-/deicing film for all-season applications”為題，發(fā)表在

Nature Communications

這一突破性成果得益于TAPSS薄膜精巧的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計。頂部是仿蛾眼納米結(jié)構(gòu)的透明超疏水層（MNTS），它不僅具有優(yōu)異的透光率（90.9%）和超疏水性（接觸角153.8°），能讓水滴迅速彈開并實現(xiàn)自清潔，其獨特的紫外屏蔽能力還能有效保護(hù)下層材料免受光照老化。中間層是一種具有抗凍性能的熱致變色水凝膠（PNDE），它是實現(xiàn)“智能調(diào)溫”的關(guān)鍵。通過調(diào)整配方，該水凝膠的下臨界溶解溫度被精確調(diào)控在24.0-27.8°C的舒適區(qū)間。當(dāng)溫度低于此閾值時，水凝膠處于透明狀態(tài)，讓陽光順利通過；當(dāng)溫度高于閾值時，水凝膠迅速轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该鞯陌咨瑥?qiáng)烈反射陽光，從而實現(xiàn)從光熱吸收到輻射冷卻的模式切換，其太陽能反射率調(diào)制幅度高達(dá)68.4%。最底層是光熱相變復(fù)合層（PTPCC），它由摻入多壁碳納米管的PDMS和相變材料構(gòu)成。多壁碳納米管賦予了底層接近97%的太陽吸收率和高達(dá)91.2%的光熱轉(zhuǎn)換效率，能將穿透上層的太陽能高效轉(zhuǎn)化為熱能。而精心調(diào)配的二元烷烴相變材料（熔點在1.08°C附近）則如同一個熱力“緩沖器”，在白天儲存多余熱量，并在夜間或無光照條件下緩慢釋放，從而進(jìn)一步延長防冰時間。

圖1：溫控自適應(yīng)光熱儲能超疏水（TAPSS）薄膜的設(shè)計與性能 a 三層結(jié)構(gòu)TAPSS薄膜工作原理示意圖。高度集成的結(jié)構(gòu)賦予TAPSS薄膜溫度響應(yīng)雙模式：寒冷環(huán)境下的光熱防/除冰模式和炎熱條件下的輻射冷卻模式。 b TAPSS薄膜（10 cm×10 cm）在加熱模式（20 °C）和冷卻模式（40 °C）下的照片。 c 展示彎曲狀態(tài)下柔韌性的光學(xué)圖像。 d MNTS薄膜的透射光譜和水接觸角。 e TAPSS薄膜在加熱和冷卻模式下的吸收光譜。 f TAPSS薄膜與光熱超疏水材料（PSMs）、光熱儲能超疏水材料（PSSMs）和熱致變色微膠囊材料（TCMMs）在五個關(guān)鍵指標(biāo)上的性能雷達(dá)圖對比：接觸角（CA）、太陽吸收率調(diào)制能力（Δαsol）、加熱模式太陽吸收率（αsol,heat）、相變焓（ΔH）和相變溫度（Tmc）。數(shù)據(jù)來源于補(bǔ)充表1中文獻(xiàn)的平均值。

圖2：蛾眼透明超疏水（MNTS）薄膜的微觀形貌、減反射性能和超疏水穩(wěn)定性 a 10 μL水滴以0.5 m/s速度撞擊的高速攝像快照。 b MNTS薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。SEM測量獨立重復(fù)三次，結(jié)果一致。 c 有無MNTS涂層的PET薄膜的透射光譜。 d 原子力顯微鏡（AFM）圖像。 e 聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜、石英玻璃和MNTS薄膜的紅外發(fā)射率光譜。 f 砂紙磨損、 g 膠帶剝離和 h 紫外老化測試過程中接觸角（CA）和滑動角（SA）的變化。點高度為平均值；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差（n=5）。

圖3：熱致變色聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-N,N-二甲基丙烯酰胺）乙二醇（PNDE）水凝膠的光學(xué)性能和抗凍性 a 低臨界溶解溫度（LCST）和 b 冰點的差示掃描量熱儀（DSC）曲線。 c 覆蓋水凝膠的圖片在20°C（左）和-20°C（右）環(huán)境下的照片。 d 40°C下的太陽反射率光譜和 e 20°C下的太陽透射率光譜。插圖為40°C太陽反射率（Rsol,40°C）、反射率調(diào)制幅度（ΔRsol）、20°C太陽透射率（τsol,20°C）和透射率調(diào)制幅度（Δτsol）的數(shù)值。 f 太陽透射率隨溫度的變化曲線。點高度為平均值；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差（n=3）。 g PD?E??水凝膠經(jīng)過100次冷熱循環(huán)后的太陽透射率測量結(jié)果。插圖為PD?E??水凝膠覆蓋圖片在冷態(tài)（左）和熱態(tài)（右）下的照片。

圖4：光熱相變復(fù)合材料（PTPCC）的光吸收、光熱性能和熱能儲存能力 a 不同多壁碳納米管（MWCNTs）濃度的光熱（PT）薄膜的太陽吸收光譜， b 溫度變化曲線， c 光熱轉(zhuǎn)換效率（η）和熱導(dǎo)率（k）。點高和柱高為平均值；誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差（n=5）。 d 1個太陽光照下PT-6表面溫度的紅外圖像。比例尺為1 cm。 e PT-6在六次加熱-冷卻循環(huán)中的溫度變化曲線。 f 不同相變材料（PCM）與聚二甲基硅氧烷（PDMS）質(zhì)量比的復(fù)合相變材料（CPCMs）的相變溫度和 g 相變焓。 h 光熱相變復(fù)合材料（PTPCC）橫截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和能譜儀（EDS）元素分布圖。SEM和EDS測量獨立重復(fù)三次，結(jié)果一致。 i PT-6、CPCM-80和PTPCC在光照開啟和關(guān)閉條件下的溫度變化曲線（-20°C，20%相對濕度，1個太陽光照），其中平臺區(qū)域表示熱能儲存和潛熱釋放過程。

在實際應(yīng)用中，TAPSS薄膜展現(xiàn)出了卓越的防除冰和除霜性能。實驗表明，在零下20°C的極寒環(huán)境中，普通PET表面的水滴在108秒內(nèi)就完全凍結(jié)，而覆蓋了TAPSS薄膜的表面則將這一過程延遲至1115秒，效能提升超過10倍。這得益于其表面超疏水性減少了熱傳遞，同時下層相變材料釋放的潛熱也起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)模擬太陽光照射時，TAPSS薄膜表面的冰滴在約410秒內(nèi)完全融化，而作為對照的普通超疏水表面上的冰滴幾乎沒有變化。在更具實際意義的模型演示中，覆蓋TAPSS薄膜的屋頂模型上的冰塊在陽光照射下555秒后融化滑落，而未覆蓋的區(qū)域冰塊則牢固附著；在飛機(jī)模型和旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片模型上，TAPSS薄膜同樣證明了其能有效清除表面霜凍的強(qiáng)大能力。

圖5：溫控自適應(yīng)光熱儲能超疏水（TAPSS）薄膜的防冰、除冰和除霜性能 a 10 μL水滴在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、光熱相變復(fù)合材料（PTPCC）和TAPSS薄膜上于-20°C、20%相對濕度下的凍結(jié)過程。比例尺為1 mm。 b 水滴在TAPSS薄膜上結(jié)冰和融化過程示意圖。 c 10 μL冰滴在蛾眼透明超疏水（MNTS）和TAPSS薄膜上的融化過程（-20°C，20%相對濕度）。比例尺為1 mm。 d 冰塊（1 cm×1 cm×2 cm）在一側(cè)涂有TAPSS薄膜的模型房屋屋頂表面的除冰過程（-20°C，20%相對濕度）。 e 飛機(jī)模型和 f 旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)模型上的除霜過程（-15°C，80%相對濕度）。所有情況下模擬太陽強(qiáng)度均為1個太陽光照。

除了冬季的優(yōu)異表現(xiàn)，TAPSS薄膜在夏季的降溫效果同樣令人印象深刻。在香港進(jìn)行的連續(xù)80小時戶外實測顯示，在正午時分，TAPSS薄膜的表面溫度比傳統(tǒng)的光熱膜低了平均17.4°C。即使在濕度極高的夜晚，得益于其高達(dá)94.5%的紅外發(fā)射率，TAPSS薄膜的溫度甚至能低于環(huán)境溫度，展現(xiàn)了持續(xù)的被動輻射冷卻能力。基于此，研究團(tuán)隊利用EnergyPlus軟件對全球19個不同氣候帶城市的建筑能耗進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，與使用傳統(tǒng)光熱膜的建筑相比，采用TAPSS薄膜的屋頂在北京可節(jié)省12.0%的年制冷能耗，在丹佛則可節(jié)省13.5%。更重要的是，其智能的光熱調(diào)節(jié)特性有效避免了輻射制冷材料在冬季帶來的額外供暖負(fù)擔(dān)，在寒冷地區(qū)平均可降低3.9%的供暖能耗，證明了其作為全球適用的節(jié)能建筑材料的巨大潛力。

圖6：溫控自適應(yīng)光熱儲能超疏水（TAPSS）薄膜的戶外降溫性能和全球節(jié)能評估 a 戶外實地測試裝置示意圖。 b 香港連續(xù)80小時（2025年6月6日至10日）實地測量結(jié)果，顯示樣品溫度、環(huán)境空氣溫度、太陽強(qiáng)度（Isolar）、風(fēng)速（Uwind）和相對濕度的時間變化。 c 不同氣候帶城市中配備TAPSS薄膜屋頂、光熱（PT）薄膜屋頂?shù)慕ㄖc普通建筑的年度制冷能耗及節(jié)能量對比。 d 全球節(jié)能潛力地圖，顯示配備TAPSS薄膜的建筑與傳統(tǒng)建筑之間的凈能耗差異。

總而言之，這項研究成功地將超疏水、熱致變色、光熱轉(zhuǎn)換與相變儲能等多種功能集于一身，巧妙地解決了傳統(tǒng)光熱防除冰材料“冬優(yōu)夏劣”的過熱瓶頸。TAPSS薄膜不僅能根據(jù)季節(jié)變化自主切換工作模式，還展現(xiàn)了優(yōu)異的抗紫外老化、耐化學(xué)腐蝕和機(jī)械穩(wěn)定性，為其長期戶外應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。盡管在環(huán)保材料替代、大規(guī)模制備工藝等方面仍有優(yōu)化空間，但該研究無疑為下一代智能熱管理技術(shù)和全天候防冰系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個極具前景的設(shè)計范式，有望在航空航天、新能源、智能建筑等多個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。