透明纳米涂层可在结冰前阻止结冰

摘要：保持透明表面不结冰听起来像是一个基本的设计问题。但实践中，情况并非如此。挡风玻璃会起雾结冰，太阳能电池板效率下降，相机镜头模糊不清。解决办法通常需要能源——加热条、化学喷雾、机械刮刀——或者防水涂层，但当温度下降时，涂层就会失效。对于任何需要在冰冻条件下保持清

透明涂层将纳米级结构与选择性太阳吸收相结合，以延缓零下温度下的冰形成，同时保留光学和能源设备表面的可见光透射。

保持透明表面不结冰听起来像是一个基本的设计问题。但实践中，情况并非如此。挡风玻璃会起雾结冰，太阳能电池板效率下降，相机镜头模糊不清。解决办法通常需要能源——加热条、化学喷雾、机械刮刀——或者防水涂层，但当温度下降时，涂层就会失效。对于任何需要在冰冻条件下保持清晰和正常运转的东西，大多数解决方案都需要权衡利弊，而这些权衡利弊往往难以有效扩展。

一种选择是利用阳光。光热涂层可以捕获太阳能并将其转化为热量，使表面温度刚好达到阻止结冰的程度。但问题在于：大多数有效吸收阳光的材料也会吸收可见光。这对于黑色屋顶瓦片来说没问题，但对于窗户、镜头或任何需要保持光学透明的物体来说就不行了。

如今，河北工业大学和香港理工大学的一支研究团队表示，他们找到了一种规避这种矛盾的方法。在发表于《先进功能材料》（ Advanced Functional Materials ）杂志的一项研究中，他们描述了一种新型涂层，它可以通过两种不同的机制阻止冰的形成，而且不会阻挡光线。

该系统的一部分利用纳米级表面结构来干扰冰生长的早期阶段。另一部分则添加了光热材料，选择性吸收红外线和紫外线，加热表面，同时让大部分可见光通过。最终形成的透明涂层在零下30摄氏度的温度下可保持一个多小时不结冰，在阳光下则能保持更长时间。

这只是设计的一部分。冰的形成始于微观层面，即水分子开始排列成冰的晶体结构。这需要一定的团簇尺寸（称为临界核）以及有助于组织它的表面。如果界面结构尺寸合适，冰就更难开始生长。该团队利用这一想法在纳米尺度上塑造表面，引入了约5纳米宽的特征，与最初形成冰的团簇的尺寸相当。

他们测试了两种方法来实现这一目标。其中一种方法是使用二氧化硅纳米颗粒来形成一层薄薄的颗粒状表层。另一种方法是，在制造过程中使用模具将纳米级纹理压印到表面。这两种被称为纳米PMC（Nano PMC）的涂层都表现出了强大的抗冰性能。与裸露的玻璃或光滑的涂层相比，这些纳米结构的表面显著降低了冰的成核和生长难度。

结果显而易见。在实验室条件下，纳米PMC涂层上的水滴在零下30摄氏度的环境下，无需任何额外加热即可保持液态超过一小时。在模拟阳光下，涂层表面温度最高可升高40摄氏度，使其保持在冰点以上，并无限期地保持无冰状态。这种性能在不牺牲可见度的情况下依然保持良好。涂层保持了超过80%的可见光透射率，且雾度极低。这对于镜头、传感器或太阳能电池等应用至关重要。

为了评估涂层在实际应力下的抗压性能，团队进行了耐久性测试。经过反复的冻融循环、紫外线照射和高压水射流，涂层的性能并未下降。其防冰能力始终如一，表面结构也完好无损。

他们还研究了涂层在冷凝和霜冻情况下的表现。当一面暴露在潮湿空气中，另一面暴露在冷空气中时，涂层比未经处理的玻璃或非结构化涂层更能长时间地抵御霜冻和冷凝。当阳光关闭时，表面会冷却并形成水滴，但即便如此，结霜也会延迟一个多小时。而未经处理的玻璃，霜的形成时间不到20分钟。

即使结冰，涂层仍然具有优势。在除冰测试中，将一克重的冰柱放在纳米PMC表面，在阳光照射下七分钟内开始融化，十分钟后完全滑落。在未经处理的玻璃上，冰柱在一小时后仍未移动。涂层还能快速融化霜冻，在11分钟内完全蒸发水分，而玻璃上的霜冻保持不变。

为了对其方法进行基准测试，研究人员将纳米PMC与MXenes 涂层进行了比较。MXenes是另一类能够吸收全太阳光谱的光热材料。MXenes虽然能有效地产生热量，但它们会阻挡可见光，这限制了它们在透明表面上的使用。纳米PMC具有相似的热性能，但透明度损失却小得多。在同等温度升高的情况下，它保留的可见光量是MXenes的五倍。

该研究还使用一个称为界面相关因子的参数量化了纳米级结构如何影响冻结。数值越高，表面越难形成冰核。纳米PMC在所有测试表面中得分最高，证实了在临界核尺度上调节表面可以为冰的形成提供真正的热力学屏障。这使得该方法不仅仅是一种表面处理方法，而是一种根植于相变物理控制的方法。

其意义远不止于单一涂层。所用材料均可商业化获取，且制造步骤与标准聚合物工艺兼容。由于该涂层兼具透明度以及被动和主动防冰性能，因此可广泛应用于各种领域：相机外壳、光学传感器、建筑玻璃、无人机镜头，以及任何需要在寒冷环境下正常工作且不产生云雾的设备。

这种涂层并非万能的解决方案。如果温度长时间保持在较低水平且没有光照，冰仍然会形成。但这种双模式保护——被动延缓冰的形成，并在阳光照射时主动加热表面——提供了一种前所未有的透明系统所能控制的水平。而且，由于该方法针对的是冰冻的早期阶段，它将问题从冰形成后管理转移到从一开始就使其更难形成。