文献快讯：Nat. Commun. 凸起+凹陷协同：双尺度Janus微腔实现全角度太阳能防冰与热管理

【成果掠影 & 研究背景】

太阳能光热防冰表面因其绿色、可持续的特性，被视为传统电热除冰的理想替代方案。然而，现有光热表面存在一个致命短板：其微纳结构通常针对垂直入射光优化，一旦太阳入射角超过45°（如冬季低太阳高度角、早晚时段）或光照强度低于0.3太阳常数，几何阴影效应和菲涅尔反射会使光吸收率骤降50%以上。同时，高吸收率的光热材料往往导热性强，导致热量迅速向冷基底散失，进一步削弱界面升温效果。因此，如何让光热防冰表面在弱光、大角度以及弯曲基底上依然高效工作，是领域内长期悬而未决的挑战。

针对这一难题，大连理工大学研究团队提出一种“Janus（双面）拓扑结构”策略。他们以聚芳醚砜酮为基体，复合聚二甲基硅氧烷与二硫化钼纳米颗粒，通过非溶剂诱导相分离结合纳秒激光刻蚀，在同一种薄膜上构建出“上层凸起微柱+下层多孔凹陷”的非对称结构（PPM-P-R）。凸起微柱阵列如同鱼眼透镜，在光线斜射时连续改变局部入射角，有效抑制菲涅耳反射；下层多孔凹陷则形成高效热障层（热导率低至0.05 W/mK），将光热转换产生的热量封锁在表面。性能上，该表面静态接触角达158.4°，滑动角仅5°，在-10°C黑暗环境中可延迟冰核形成至751.5秒（比金属基体延长12.8倍）。在-20°C、仅0.1个太阳光强、60°斜射的极端条件下，PPM-P-R表面仍能在25分钟内完成除冰，并在-30°C、0.1太阳光下持续维持72小时无霜状态。此外，该涂层集成了耐磨、耐酸碱、阻燃（UL-94 V-0）等性能，并在圆柱形高压电缆上验证了曲面普适性。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 角度-热力学矛盾一体化解决：首次将“凸起光学捕获”与“凹陷热绝缘”集成于同一薄膜，凸起结构在高入射角下维持>90%光捕获效率，有效克服平面及凹坑结构在斜射时因阴影效应造成的效率衰减（>60%），同时凹陷层通过Kapitza热阻将漏热减少约80%。

• 可规模化的双面激光刻蚀工艺：利用纳秒激光线性间距控制，在同一膜上分别刻蚀出凸起阵列（间距0.005-0.1 mm，高度~50 μm）和凹陷多孔层，加工面积>95%（100 mm×100 mm），具备工业放大潜力。

• 全光谱协同光热材料设计：以PPESK（紫外-近红外吸收）为基体、MoS2（可见光吸收）为光热剂、PDMS为封装保护层，实现200-2500 nm全太阳光谱高效吸收，在1个太阳下表面温度可达96.5°C（PPM-R）和88.9°C（PPM-P）。

• 明确揭示角度依赖机制：通过COMSOL多物理场模拟（图4）与实验互验，定量刻画了凸起结构在高角度（>45°）下维持光热通量(Qc)而凹坑结构失效的关键差异，确认PPM-P-R因底层隔热而使表面升温最快。

• 极端环境综合耐久验证：经历1000次线性磨损、50次冻融循环、pH1-13浸泡、紫外老化等考验后，水接触角仍>150°，冰粘附强度低至~12.5 kPa（磨损后），且表面形貌保持完好（白光干涉仪3D形貌）。

• 曲面/非平面几何适用性突破：在高压电缆上旋转刻蚀制备涂层，凸起的“鱼眼”折射结合面内热传导，使电缆受光面与背光面在10分钟内均升至0°C以上，而传统凹坑结构因曲面光捕获损失而失效。

  
  

图1. 弱太阳辐射条件下防冰表面的对比与设计。

a 北半球夏季和冬季太阳高度角的变化。b 太阳辐射的大气衰减及早晨、正午和黄昏时太阳能的比较。c 以往光热防冰研究：平面与凹陷多孔结构的局限性。d 本工作中Janus上凸起/下凹陷光热防冰结构（PPM-P-R）的设计。

图2. 防冰效果演示。
a 液滴在铜板、铝板、PPM-P、PPM-R和PPM-P-R表面上的延迟冻结过程。b 在-20°C环境中、0.1太阳光强、入射角0°和60°条件下，PPM-R和PPM-P表面上的冰融化过程。c 在-20°C、0.1太阳光强、60°入射角条件下，包覆PPM-R和PPM-P的圆柱形电缆表面的冰融化过程，以及通过红外热成像实时监测的外部表面温度。

图3. 被动延迟冻结和主动持续除冰的验证。

a 铝合金基体、铜、PPM-R、PPM-P和PPM-P-R表面的水接触角和滑动角。b 各种基材及薄膜的热导率比较。c 在模拟气候箱（-10°C，黑暗）中测得的不同表面的延迟结冰时间。d 激光刻蚀后薄膜表面的全太阳光谱（200-2500 nm）吸收能力。e 在0.1太阳光强下，不同金属基体及薄膜表面在-10°C、-20°C和-30°C时的稳态温度比较。f 初步探索：在室温环境下通过调节太阳辐射强度和入射光角度，制备的PPM-R和PPM-P薄膜表面温度的不同变化趋势。g 在-10°C、1.0太阳、60°入射角下，各表面主动完全融化冰所需时间比较。h，i 在模拟气候箱（-20°C，0.1太阳光，入射角分别为0°和60°）中测得的不同表面上的冰融化时间。

图4. 角度自适应被动隔热/主动光热机制。

a 表面防冰示意图，展示了PPM-R和PPM-P-R表面上的液滴传热过程：包括固液界面传热(Qc)、液滴与气垫间的热辐射(Qr1)以及液滴与空气间的对流热流(Qt2)。b COMSOL模拟的二维示意图：在-10°C黑暗环境中不同表面上液滴温度随时间的变化。c 表面光热除冰示意图，展示了在直射太阳光下PPM-R和PPM-P表面上冻结液滴的传热过程：包括入射光产热(QL)、固液界面传热(Qc)、液滴与气垫间的热辐射(Qr1)以及液滴与空气间的热对流(Qt2)。d 表面光热除冰示意图，展示了在斜射太阳光下PPM-R和PPM-P表面上冻结液滴的传热过程。e -20°C下暴露于0.1太阳辐照度时各表面的温度-时间模型，入射角从0°增大到60°。f COMSOL三维模型模拟不同太阳入射角下PPM-R和PPM-P表面冰滴达到零上温度所需的时间。g COMSOL模拟-10°C无光环境下不同表面上液滴从0°C降至-10°C所需时间的比较。h，i COMSOL模拟-20°C、0.1太阳光条件下，入射角分别为0°和60°时铜、铝合金、不锈钢、PPM-R、PPM-P和PPM-P-R表面温度随时间变化的比较。

图5. 防冰表面的综合环境耐久性评估。
a PPM-P-R表面在酸碱浸泡后的质量和接触角变化。b PPM-P-R表面在紫外老化后的接触角和光热表面温度（0.1太阳，60°）变化。c PPM-P-R表面在胶带剥离和砂洗后的接触角变化。d PPM、PPM-R、PPM-P和PPM-P-R薄膜表面的摩擦系数比较。e PPM-P-R表面在循环摩擦磨损试验后的水接触角和滑动角变化。f 循环摩擦磨损后各表面在-20°C下的冰粘附强度比较。g PPM、PPM-R和PPM-P薄膜在摩擦磨损试验前后的三维形貌（白光干涉仪记录）。h PPM、PPM-R和PPM-P薄膜表面经过1000次摩擦磨损试验后的磨损轮廓正视图。

【总结 & 原文链接】

本研究从根本上揭示了光热防冰表面在斜射/弱光条件下的失效机制，并通过几何自适应设计，将凸起光子捕获结构与凹陷热绝缘基底集成在同一薄膜中，成功打破了一直困扰该领域的“角度-热力学矛盾”。所制备的Janus PPM-P-R表面在-20°C、0.1太阳光强、60°入射角下仍能高效除冰（<30分钟），并在-30°C、0.1太阳条件下保持72小时无霜，其核心原因在于：凸起微柱阵列实现了近角度不敏感的光吸收（效率~80%），而凹陷多孔层将热泄漏较平面降低约80%。此外，该表面历经100次冻融循环、1000次磨损及化学侵蚀后仍保持超疏水与低冰粘附，且在高压电缆等非平面结构上验证了适用性。这一工作不仅为极端环境下的基础设施提供了一种可靠的、全被动太阳能热管理方案，也为未来设计兼具角度鲁棒性、热管理能力和机械耐久性的光热功能表面提供了新范式。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72087-3

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