香港城大曹之胤教授《自然·通讯》：新型智能薄膜实现“冬暖夏凉”：可自我调节的光热防除冰技术问世！

全球范围内，飞机机翼结冰、输电线路覆冰以及风力发电机叶片冻结等问题，长期以来对基础设施安全与能源供应构成严峻挑战。传统防除冰技术能耗巨大且存在环境隐患，而近年来兴起的被动式光热超疏水材料虽展现出潜力，却普遍面临一个致命缺陷：在夏季，其强大的光热转换能力会导致表面过度升温（甚至超过100°C），这不仅加速了材料老化，还可能损害精密设备，并加剧城市热岛效应。面对这一亟待解决的全年热管理难题，科学家们一直在寻找一种能够根据不同季节动态调节自身热性能的理想材料。

香港城市大学曹之胤（Chi Yan Tso）教授团队、北京科技大学褚福强教授合作，成功开发出一种名为“温度自适应光热储存超疏水薄膜”（TAPSS）的三层结构智能材料。该薄膜集成了光热转换、相变储能、热致变色与超疏水四大功能，能在冬季呈现黑色以最大限度地吸收太阳能进行高效防除冰，而在夏季则自动转变为白色以反射阳光，被动地防止过热。其核心性能表现卓越，冬季太阳吸收率高达92%，夏季太阳能调制能力达到62%，这不仅将零下20°C环境下的结冰时间延长了10倍，还能在炎热天气中将表面温度降低高达17°C，为全球范围内的建筑节能和关键基础设施的全天候防护开辟了新路径。相关论文以“A self-regulated photothermal anti-/deicing film for all-season applications”为题，发表在

Nature Communications

这一突破性成果得益于TAPSS薄膜精巧的三层结构设计。顶部是仿蛾眼纳米结构的透明超疏水层（MNTS），它不仅具有优异的透光率（90.9%）和超疏水性（接触角153.8°），能让水滴迅速弹开并实现自清洁，其独特的紫外屏蔽能力还能有效保护下层材料免受光照老化。中间层是一种具有抗冻性能的热致变色水凝胶（PNDE），它是实现“智能调温”的关键。通过调整配方，该水凝胶的下临界溶解温度被精确调控在24.0-27.8°C的舒适区间。当温度低于此阈值时，水凝胶处于透明状态，让阳光顺利通过；当温度高于阈值时，水凝胶迅速转变为不透明的白色，强烈反射阳光，从而实现从光热吸收到辐射冷却的模式切换，其太阳能反射率调制幅度高达68.4%。最底层是光热相变复合层（PTPCC），它由掺入多壁碳纳米管的PDMS和相变材料构成。多壁碳纳米管赋予了底层接近97%的太阳吸收率和高达91.2%的光热转换效率，能将穿透上层的太阳能高效转化为热能。而精心调配的二元烷烃相变材料（熔点在1.08°C附近）则如同一个热力“缓冲器”，在白天储存多余热量，并在夜间或无光照条件下缓慢释放，从而进一步延长防冰时间。

图1：温控自适应光热储能超疏水（TAPSS）薄膜的设计与性能 a 三层结构TAPSS薄膜工作原理示意图。高度集成的结构赋予TAPSS薄膜温度响应双模式：寒冷环境下的光热防/除冰模式和炎热条件下的辐射冷却模式。 b TAPSS薄膜（10 cm×10 cm）在加热模式（20 °C）和冷却模式（40 °C）下的照片。 c 展示弯曲状态下柔韧性的光学图像。 d MNTS薄膜的透射光谱和水接触角。 e TAPSS薄膜在加热和冷却模式下的吸收光谱。 f TAPSS薄膜与光热超疏水材料（PSMs）、光热储能超疏水材料（PSSMs）和热致变色微胶囊材料（TCMMs）在五个关键指标上的性能雷达图对比：接触角（CA）、太阳吸收率调制能力（Δαsol）、加热模式太阳吸收率（αsol,heat）、相变焓（ΔH）和相变温度（Tmc）。数据来源于补充表1中文献的平均值。

图2：蛾眼透明超疏水（MNTS）薄膜的微观形貌、减反射性能和超疏水稳定性 a 10 μL水滴以0.5 m/s速度撞击的高速摄像快照。 b MNTS薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。SEM测量独立重复三次，结果一致。 c 有无MNTS涂层的PET薄膜的透射光谱。 d 原子力显微镜（AFM）图像。 e 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜、石英玻璃和MNTS薄膜的红外发射率光谱。 f 砂纸磨损、 g 胶带剥离和 h 紫外老化测试过程中接触角（CA）和滑动角（SA）的变化。点高度为平均值；误差线为标准差（n=5）。

图3：热致变色聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-N,N-二甲基丙烯酰胺）乙二醇（PNDE）水凝胶的光学性能和抗冻性 a 低临界溶解温度（LCST）和 b 冰点的差示扫描量热仪（DSC）曲线。 c 覆盖水凝胶的图片在20°C（左）和-20°C（右）环境下的照片。 d 40°C下的太阳反射率光谱和 e 20°C下的太阳透射率光谱。插图为40°C太阳反射率（Rsol,40°C）、反射率调制幅度（ΔRsol）、20°C太阳透射率（τsol,20°C）和透射率调制幅度（Δτsol）的数值。 f 太阳透射率随温度的变化曲线。点高度为平均值；误差线为标准差（n=3）。 g PD₅E₂₀水凝胶经过100次冷热循环后的太阳透射率测量结果。插图为PD₅E₂₀水凝胶覆盖图片在冷态（左）和热态（右）下的照片。

图4：光热相变复合材料（PTPCC）的光吸收、光热性能和热能储存能力 a 不同多壁碳纳米管（MWCNTs）浓度的光热（PT）薄膜的太阳吸收光谱， b 温度变化曲线， c 光热转换效率（η）和热导率（k）。点高和柱高为平均值；误差线为标准差（n=5）。 d 1个太阳光照下PT-6表面温度的红外图像。比例尺为1 cm。 e PT-6在六次加热-冷却循环中的温度变化曲线。 f 不同相变材料（PCM）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）质量比的复合相变材料（CPCMs）的相变温度和 g 相变焓。 h 光热相变复合材料（PTPCC）横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像和能谱仪（EDS）元素分布图。SEM和EDS测量独立重复三次，结果一致。 i PT-6、CPCM-80和PTPCC在光照开启和关闭条件下的温度变化曲线（-20°C，20%相对湿度，1个太阳光照），其中平台区域表示热能储存和潜热释放过程。

在实际应用中，TAPSS薄膜展现出了卓越的防除冰和除霜性能。实验表明，在零下20°C的极寒环境中，普通PET表面的水滴在108秒内就完全冻结，而覆盖了TAPSS薄膜的表面则将这一过程延迟至1115秒，效能提升超过10倍。这得益于其表面超疏水性减少了热传递，同时下层相变材料释放的潜热也起到了关键作用。当模拟太阳光照射时，TAPSS薄膜表面的冰滴在约410秒内完全融化，而作为对照的普通超疏水表面上的冰滴几乎没有变化。在更具实际意义的模型演示中，覆盖TAPSS薄膜的屋顶模型上的冰块在阳光照射下555秒后融化滑落，而未覆盖的区域冰块则牢固附着；在飞机模型和旋转的风力发电机叶片模型上，TAPSS薄膜同样证明了其能有效清除表面霜冻的强大能力。

图5：温控自适应光热储能超疏水（TAPSS）薄膜的防冰、除冰和除霜性能 a 10 μL水滴在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、光热相变复合材料（PTPCC）和TAPSS薄膜上于-20°C、20%相对湿度下的冻结过程。比例尺为1 mm。 b 水滴在TAPSS薄膜上结冰和融化过程示意图。 c 10 μL冰滴在蛾眼透明超疏水（MNTS）和TAPSS薄膜上的融化过程（-20°C，20%相对湿度）。比例尺为1 mm。 d 冰块（1 cm×1 cm×2 cm）在一侧涂有TAPSS薄膜的模型房屋屋顶表面的除冰过程（-20°C，20%相对湿度）。 e 飞机模型和 f 旋转风力机模型上的除霜过程（-15°C，80%相对湿度）。所有情况下模拟太阳强度均为1个太阳光照。

除了冬季的优异表现，TAPSS薄膜在夏季的降温效果同样令人印象深刻。在香港进行的连续80小时户外实测显示，在正午时分，TAPSS薄膜的表面温度比传统的光热膜低了平均17.4°C。即使在湿度极高的夜晚，得益于其高达94.5%的红外发射率，TAPSS薄膜的温度甚至能低于环境温度，展现了持续的被动辐射冷却能力。基于此，研究团队利用EnergyPlus软件对全球19个不同气候带城市的建筑能耗进行了模拟。结果显示，与使用传统光热膜的建筑相比，采用TAPSS薄膜的屋顶在北京可节省12.0%的年制冷能耗，在丹佛则可节省13.5%。更重要的是，其智能的光热调节特性有效避免了辐射制冷材料在冬季带来的额外供暖负担，在寒冷地区平均可降低3.9%的供暖能耗，证明了其作为全球适用的节能建筑材料的巨大潜力。

图6：温控自适应光热储能超疏水（TAPSS）薄膜的户外降温性能和全球节能评估 a 户外实地测试装置示意图。 b 香港连续80小时（2025年6月6日至10日）实地测量结果，显示样品温度、环境空气温度、太阳强度（Isolar）、风速（Uwind）和相对湿度的时间变化。 c 不同气候带城市中配备TAPSS薄膜屋顶、光热（PT）薄膜屋顶的建筑与普通建筑的年度制冷能耗及节能量对比。 d 全球节能潜力地图，显示配备TAPSS薄膜的建筑与传统建筑之间的净能耗差异。

总而言之，这项研究成功地将超疏水、热致变色、光热转换与相变储能等多种功能集于一身，巧妙地解决了传统光热防除冰材料“冬优夏劣”的过热瓶颈。TAPSS薄膜不仅能根据季节变化自主切换工作模式，还展现了优异的抗紫外老化、耐化学腐蚀和机械稳定性，为其长期户外应用奠定了基础。尽管在环保材料替代、大规模制备工艺等方面仍有优化空间，但该研究无疑为下一代智能热管理技术和全天候防冰系统的开发提供了一个极具前景的设计范式，有望在航空航天、新能源、智能建筑等多个领域带来深远影响。