香港城市大学曹之胤/北科大褚福强NC：自适应光热储能超疏水薄膜实现高效防除冰与智能热管理

随着全球极端气候事件日益频发，冰雪积覆已成为威胁航空航天、风力发电、建筑设施及交通系统安全运行的重要隐患。传统主动除冰技术通常依赖持续电能或机械能输入，不仅能耗高昂，还面临维护成本高、可靠性不足等问题。近年来，利用太阳能驱动的光热防除冰技术因其绿色节能优势备受关注。然而，现有光热材料普遍缺乏动态热调控能力，容易在炎热夏季产生严重过热问题，制约其全年应用潜力。

针对这一关键瓶颈，香港城市大学曹之胤教授团队联合北京科技大学褚福强教授，成功研发出一种三层结构的自适应光热储能超疏水薄膜（Temperature-adaptive photothermal storage superhydrophobic film, TAPSS）。该材料可在低温环境下呈现高吸收（约92%）黑色状态，在高温环境下切换为高反射（约75%）白色状态，实现高达62%的太阳吸收率调节幅度。TAPSS薄膜将光热调控、超疏水界面与相变储能功能深度融合，在–20℃条件下将液滴冻结时间延长约10倍，并在夏季实现最高约17℃的表面降温效果，展现出卓越的全年候节能潜力。此外，该薄膜兼具优异的兼容性、耐久性及环境稳定性，在建筑节能、航空航天以及风力发电等领域具有广阔应用前景，为新一代防除冰技术及其自适应热管理提供了新思路。

相关研究成果近期以“A Self-Regulated Photothermal Anti-/Deicing Film for All-Season Applications”为题，在线发表于《Nature Communications》。香港城市大学曹之胤教授、北京科技大学褚福强教授为共同通讯作者，香港城市大学博士后都家宇为第一作者，清华大学闵琪副研究员等共同参与完成该研究。

【背景】光热防除冰面临“季节适应性”挑战

光热防除冰技术通过将太阳辐射转化为热能，可有效延缓冰晶形成并促进冰层脱落。相比传统电加热和机械除冰方式，其具有能耗低、维护简单及环境友好等优势，已成为防除冰领域的重要研究方向。然而，当前大多数光热材料仅针对低温工况优化，缺乏季节自适应能力，在高温环境下易发生过热，不仅加速材料老化，还可能诱发器件热失效，并加剧城市热岛效应。近年来，具备动态热调控能力的自适应材料逐渐受到关注，但仍普遍面临太阳调制能力不足、疏水稳定性有限以及紫外耐久性较差等问题。因此，开发兼具高效防除冰、季节自适应与长期稳定性的先进功能材料，成为该领域亟待突破的关键技术难题。

【设计原理】多层协同实现季节性光热调控

如图1所示，研究团队构建的TAPSS薄膜创新采用三层结构设计，包括具有蛾眼状纳米结构的透明超疏水（MNTS）顶层、具有热致变色功能的聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-N,N-二甲基丙烯酰胺)/乙二醇（PNDE）水凝胶中间层，以及光热相变复合（PTPCC）基底层。MNTS顶层通过仿生蛾眼纳米结构，实现高达91%的太阳透过率与154°水接触角，在有效延缓冰晶成核的同时保证光热转换效率。更重要的是，该层具备近零紫外透过率，可显著提升整体结构的抗老化能力。PNDE水凝胶是实现季节热管理的核心功能层。该层利用聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）的温度响应特性，在高温环境下转变为高反射状态以降低太阳吸收，而在低温环境下则保持高透明状态，使底层光热转换充分发挥。同时，乙二醇的引入显著增强了水凝胶的抗冻能力，并与N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）协同调控转变温度至人体热舒适区间。PTPCC底层通过多壁碳纳米管实现宽谱太阳吸收，并结合相变储能材料，可在白天储存热量、夜间释放潜热，从而实现全天候防除冰。与传统光热防除冰材料相比，TAPSS薄膜在接触角、太阳吸收率、太阳光调节能力以及相变焓和相变温度等关键指标上均表现出明显优势，并在连续90天户外测试中保持稳定的光学性能和超疏水特性。

图1 TAPSS薄膜的设计原理及性能

【难点一】如何兼顾高透光率与耐久超疏水？

透明光学界面通常要求表面光滑以减少光散射，而超疏水性能则依赖微纳尺度粗糙结构来形成稳定的气垫层，两者存在天然结构矛盾。同时，面向长期户外应用，材料还必须具备优异的机械耐磨性、抗紫外老化能力以及化学稳定性，这对界面结构设计提出了极高要求。研究团队利用紫外纳米压印技术构建亚波长尺度蛾眼纳米结构，并结合低表面能氟化材料，实现了透光性能与润湿性能的协同优化。如图2所示，MNTS薄膜太阳透过率可超过95%，并展现出抗反射特性，将PET的反射率由11.8%降至4.3%。同时，该结构在8–13 μm大气窗口内具有94.5%的高红外发射率，可进一步增强辐射散热能力。更值得关注的是，该薄膜在经历200 cm砂纸磨损、100次胶带剥离、24小时强酸碱腐蚀以及4周强紫外老化测试（相当于8个月的佛罗里达阳光照射）后，仍保持稳定超疏水性能，展现出优异的户外应用可靠性。

图2 MNTS顶层的微观形貌、光学性能及超疏水稳定性

【难点二】如何实现宽温域稳定的热致变色水凝胶？

传统PNIPAM水凝胶在季节性热调控应用中面临多重限制：其相变温度通常固定在约32℃，难以满足人体热舒适区需求；同时水凝胶抗冻能力较弱，在低温环境下易冻结并导致透光率急剧下降。此外，提升抗冻能力往往需要引入有机溶剂或改变聚合网络结构，但此类策略易削弱材料的光学调制能力，并扰动转变温度。针对这些关键难题，研究团队通过构建水/乙二醇二元溶剂体系，并引入亲水性单体DMAA，对聚合物网络结构与溶剂环境进行协同调控，成功开发出PNDE水凝胶。如图4所示，该材料不仅实现更贴近人体舒适区的转变温度（约26℃），还将冻结温度降低至约–25℃，显著拓宽了应用温域范围。同时，PNDE水凝胶展现出高达75%和68%的透过率和反射率调节能力，并具备快速响应动力学和极小热滞后特性，在100次冷热循环过程中仍保持稳定性能，为季节性光热调控提供了可靠材料基础。

图3 PNDE水凝胶中间层的转变温度、抗冻性及光学性能

【难点三】如何构建兼具光热转换与长效储热能力的复合层？

传统光热材料虽然具备优异太阳吸收能力，却难以在夜间或弱光条件下持续供热；而相变储能材料普遍存在导热性能差、相变温度匹配困难以及相变过程中易泄漏等问题。尤其是在提高相变材料含量以增强储热能力时，往往会削弱结构稳定性并增加材料失效风险。针对上述挑战，研究团队通过精准调控多壁碳纳米管含量，构建高效光热转换网络，实现近97%的宽谱太阳吸收率和超过90%的光热转换效率，可在1.0 sun条件下200 s内升温至60℃以上（见图4）。同时，团队创新构建由正十三烷与正十四烷组成的二元相变体系，将相变温度精准调控至冰点附近，并通过纳米多孔限域结构有效抑制相变材料泄漏，在保证储热密度的同时显著提升结构稳定性。该复合层不仅能够在光照条件下实现快速升温，还可在无光环境中通过潜热释放延缓温度下降，从而实现全天候持续热缓冲与高效防除冰性能。

图4 PTPCC底层的光热性能和相变储热能力

【防除冰性能】主被动协同实现极端环境防护

通过三层功能结构协同作用，TAPSS薄膜在极端低温环境下展现出优异的光热防除冰能力。如图5所示，得益于表面的超疏水纳米结构，其可将水滴冻结时间显著延长至1115 s，相较传统PET等普通基底实现约10倍提升，并可通过液滴弹跳自清洁实现动态防冰效果。在一个太阳光照条件下，TAPSS薄膜可高效实现光热融冰，冰滴约410 s即可完全融化，展现出稳定可控的除冰过程。更重要的是，该材料在飞机机翼与风机叶片模型中均表现出优异的化霜性能，并在多次冻融循环后依然保持良好的超疏水性与光学稳定性，为航空航天、风力发电及户外装备等领域提供了极具应用前景的防除冰解决方案。

图5 TAPSS薄膜的防冰、除冰及除霜性能

【夏季降温与建筑节能】打造冬暖夏凉的智能围护材料

在夏季高温条件下，TAPSS薄膜同样展现出优异的热调控能力。如图6所示，在约900 W/m2太阳辐照下，其正午平均降温达17.4℃；夜间依靠高红外发射率实现被动辐射制冷，维持低于环境温度的散热能力。建筑节能模拟结果显示，TAPSS屋面在北京与丹佛等地区可分别降低约12.0%与13.5%的制冷能耗。同时，其温度自响应特性可避免传统辐射制冷材料带来的冬季供暖能耗惩罚，使寒冷地区供暖能耗平均降低3.9%。模拟结果表明，该材料在全球所有气候区均展现出优异的全年建筑节能潜力，有望成为新一代智能建筑围护解决方案，为低碳建筑发展提供重要技术支撑。

图6 TAPSS薄膜的户外降温性能及全球建筑节能评估

【总结】

综上所述，研究团队成功开发了一种自适应光热储能超疏水薄膜（TAPSS），通过构建透明超疏水界面、温度响应水凝胶与光热相变储能层的多功能协同作用，突破了传统光热防除冰材料难以兼顾冬季防除冰和夏季防过热的关键瓶颈。该材料能够根据环境温度自动调节太阳吸收率，在严寒条件下实现高效光热防除冰，在高温环境中有效抑制太阳辐射引起的过热，实现冬季增温与夏季降温的双重调控功能。此外，该材料在太阳光调制能力、相变储能性能、应用场景适应性及环境耐久性等方面均表现出优异性能，并在全球多气候区展现出显著的全年候建筑节能潜力。该研究不仅有效解决了传统光热材料在夏季应用中的过热难题，为航空航天、风力发电及建筑节能等领域的新一代智能防除冰技术提供了重要设计思路，同时也为多功能自适应热管理材料的开发与工程化应用开辟了新的研究方向。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69494-x