廣西大學跨尺度功能表界面科研團隊，通過"抄襲"大自然——把珊瑚曬太陽的本事和山體邊坡加固結構的力學穩定性學過來，成功研發出一種機械耐久、弱光除冰與自發脫濕功能的抗冰網格（AIM）。給它曬曬太陽（0.05 Wcm-2），5分鐘就能把冰給"熱"跑了，比某些男朋友回消息的速度快多了！這項創新成果以渦扇發動機進氣網罩的防冰需求為導向，為航空、通信網絡和電力線路等領域的抗冰難題提供了新的解決方案（圖1所示）。該研究成果以“Multi-Scale Biomimetic Strategy: Robust Woven Wires with Photo-Thermal De-Icing and Spontaneous De-Wetting”為題，發表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。

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https://doi.org/10.1002/adfm.202423043

圖1 渦扇發動機進氣道網罩

?珊瑚光熱與山坡加固結構的靈感碰撞

圖2所示，從珊瑚的光熱特性與山坡的加固結構中汲取靈感，成功研發出一種超耐用、具備光熱除冰與自潤濕功能的抗冰網格。

圖2具有光熱除冰和高魯棒性的AIM仿生策略的示意圖。

如圖3所示，在網絲表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）與碳黑納米顆粒（CB）的復合材料，通過一步激光處理，形成具有豐富“氣穴”的珊瑚狀納米結構，并被保護在亞毫米尺度的網格內，從而將微米級重疊峰/脊和珊瑚狀納米結構巧妙地組裝到了編織金屬絲上（AIM）。AIM擁有出色的光熱轉換能力，在0.1 Wcm-2的太陽輻射下，表面溫度在3分鐘提升至約101.4 ℃，同時確保了其結構的耐用性。

圖3.制備、光熱效應和潤濕性表征。a）AIM的制備、微觀形態演變、對不同性質液滴的潤濕性表征以及相應的激光加工機理示意圖；b）原始網格和AIM之間的光熱效應比較。

高效抗冰?，自發脫潤濕

如圖4所示，優化后的AIM表面冰粘附強度為14.5 kPa, 液滴成核溫度為-6.8 ℃，0 ℃過冷水滴（12 μL）在-15 ℃環境下的凍結時間105 s。除了光熱除冰外，AIM網格還具備自發脫濕功能。在冰融化過程中，網格表面結構間隙的“空氣泡”會在馬蘭戈尼力的作用下恢復，推動固液界面向微納米結構的頂部遷移，從而實現從Wenzel態到Cassie-Baxter態的轉變，使網格表面重新獲得超疏水性能。這一過程通過表征界面接觸線長度和冰滴接觸角變化得到證實（Supporting Information）。

圖4防冰性能和自發脫濕機理。a）不同網格面積的AIM表面除冰強度和凍結時間的變化和比較，以及相應的原始金屬網；b）AIM-0.018表面冰霜的自發脫濕過程；c）AIM-0.018的光熱除冰性能、紅外溫度變化和Cassie潤濕性的恢復；d）AIM表面液滴凍結和熔化過程，以及AIM-0.018表面除冰/脫潤濕機理的潤濕性轉變模型。

超強力學穩定性，無懼磨損

如圖5所示，AIM突破了超疏水表面微納結構易損傷的瓶頸。AIM在經歷10,000次標準化（ASTM D4060）磨損循環后，即在動態載荷（法向壓力20-30 kPa）下磨損距離為538 m時，其表面滾動角仍保持在8°。進一步，通過摩托車碾壓、刀刮、2年的戶外耐候性和400℃高溫測試，這網格就像打不死的小強，功能效果依然堅挺！通過定量評估微觀形態演變和界面潤濕狀態，建立了界面損傷數學模型并分析了磨損距離與表面潤濕性之間的依變關系。

圖5AIM的機械耐久性、耐候性和熱穩定性。a）磨損試驗過程中壓力和摩擦扭矩的時變曲線，插圖是磨損過程和磨損區域的潤濕特征；b）分別在50m、100m、200m和538m的磨損距離下SEM圖像和Si元素的能譜圖，以及磨損過程中結構特征尺寸變化的示意圖。c）AIM的抗磨能力與近8年發表的超疏水表面的研究結果對比；d）不同水射流沖擊速度下AIM表面潤濕性的變化，插圖顯示了不同韋伯數下的沖擊過程；e）24個月的室外耐候性和f）連續400 ℃熱處理期間AIM表面的接觸角和滾動角變化規律。

?功能性與實用性兼具，可大面積生產，前景廣闊

圖6所示，在模擬凍雨環境（-5 ℃，90%相對濕度）中，0.1 Wcm-2的太陽輻射，AIM可在123秒內完成除冰任務；即便將太陽輻射減弱至0.05 Wcm-2的情況下，除冰時間也僅延長至302秒。這一結果得益于其獨特的空心微骨架和亞波長多孔納米結構，它們能夠減小固-液接觸面積，高效吸收并轉化太陽光為熱能，實現快速除冰，同時保持了環保節能的特性。另外，即便經過100 m的嚴苛線性磨損測試，光熱脫冰時間僅較未磨損的AIM延長了30秒，兼具了功能性與實用性。值得一提的是，AIM制備過程環保且經濟高效，適合大規模生產。在實驗室條件下，僅用2小時就制備出面積達4200 cm2的AIM，展示了其商業化應用潛力。

圖6 凍雨條件下的防冰/除冰性能，不同輻照強度下的光熱轉換能力，以及AIM的大面積生產。a）用于高壓線路除冰的光熱效應AIM示意圖；b）AIM的冷凍時間和除冰強度隨磨損距離的增加而變化，磨損試驗按照ASTM D4060方法進行；c）AIM（4200 cm2）的大規模生產，插圖驗證了其Cassie潤濕性；d）AIM在不同太陽輻射強度下的光熱轉換能力；e）AIM、AIM-100和裸線覆蓋的鋁合金輸電線路的光熱除冰演示和比較。

總結

極端氣候條件下的結冰現象威脅航空、電力等基礎設施安全，基于超疏水表面的防冰技術存在冰-固互鎖、融冰后粘滯和力學失穩等瓶頸。本研究從自然界珊瑚的光熱特性和山體邊坡加固結構的力學穩定性獲取靈感，致力于開發兼具高效除冰、自發脫濕和超強耐久性的新型防冰材料，為防冰領域帶來新突破。未來通過材料體系優化和結構參數調控，有望拓展至更廣泛的低溫環境應用場景。

論文第一作者為河南工業大學張坤博士，通訊作者為廣西大學劉黎明助理教授，本研究工作感謝廣西青年科學基金項目（KY01030030124030），廣西科技基地和人才專項（AE30100196），高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室開放基金項目（202308）和鄭州市科技局自然科學項目（22ZZRDZX16）等基金項目支持。

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝作者團隊支持。