文獻快訊：AM 仿生微納晶體陣列：實現高效光熱除冰的超疏水超材料

【成果掠影 & 研究背景】

冰的積累會對基礎設施、航空、電網等造成嚴重危害。目前，光熱超疏水表面在防/除冰領域展現出潛力，但其性能高度依賴于精密的微納分級結構設計。傳統制備方法如光刻成本高昂，而噴涂、化學沉積等方法則難以實現結構均勻性與性能的可控調節。

針對這一挑戰，東北大學團隊受芋頭葉片啟發，開發出一種結構化微/納晶體陣列光熱超疏水超材料（SMNA-PSM）。該材料通過物理沉積過程中的“陰影效應”，在預制微凸結構上生長出具有豐富納米褶皺的柱狀晶體陣列。此結構將沉積的金屬-絕緣體-金屬（MIM）多層膜轉化為尺寸、角度和厚度各異的異質諧振器，從而將離散的吸收峰轉變為連續吸收帶，實現了高達96%的太陽光譜（0.2-2.5 μm）吸收率。同時，通過調節沉積材料，表面能從疏水切換到超疏水，水接觸角高達160°。實驗表明，在1個太陽光照下，材料表面2.5毫米厚的霜層可在120秒內快速融化；即使在0.5個太陽的低強度光照下，霜層也能在480秒內完全消失。該研究為高性能光熱超疏水材料的微納結構構建提供了新思路。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 仿生結構化設計

  受芋頭葉片微凸結構與表面納米褶皺啟發，設計了規則的六方密排微凸結構基底，作為構建分級結構的模板。

• “陰影效應”構建微納陣列

  利用磁控濺射物理沉積過程中的固有陰影效應，在微凸結構上自發形成具有豐富納米級褶皺的鋁柱狀晶體陣列，避免了復雜且昂貴的納米級光刻工藝。

• 異質諧振器實現寬帶吸收

  結構化晶體陣列的豐富表面，使得沉積其上的MIM（Ti@PTFE-SiO?-Ti）薄膜形成大量尺寸、角度、厚度各異的異質諧振器。它們提供了更多的電磁波響應位點和散射面，將均勻MIM結構的分離吸收峰轉變為連續吸收帶，實現了96%的寬帶太陽能吸收。

• 梯度成分設計兼顧性能

  頂層Ti@PTFE采用梯度共濺射策略，Ti含量從底部到頂部遞減。這種設計既利用底部Ti納米顆粒的局域表面等離子體共振增強光吸收，又確保了頂部為低折射率、低表面能的純PTFE，同時優化了阻抗匹配與超疏水性。

• 優異的防/除冰性能與穩定性

  材料結合了高效光熱轉換與超疏水性，能快速融化冰霜并使水滴滾落。經過50次光熱除冰循環和大量水滴沖擊實驗后，其微納結構保持穩定，展現了良好的耐久性。

• 工藝優勢

  該方法基于物理氣相沉積，具有性能可調、均勻性好、基底友好、易于規模化等薄膜工藝優勢，為可控制備微納分級結構提供了新途徑。

Figure 1. SMNA-PSM的設計與制備示意圖。
Figure 2. SMNA-PSM的微納分級結構表征。

Figure 3. SMNA-PSM的超疏水性能。

Figure 4. SMNA-PSM的光熱性能。

Figure 5. SMNA-PSM的防/除冰性能。

【總結 & 原文鏈接】

本研究成功開發了一種基于結構化微納晶體陣列的光熱超疏水超材料。該材料通過巧妙的仿生結構設計與物理沉積工藝，同步實現了極高的太陽光吸收率與超疏水性，在防冰（延遲結冰）和除冰（快速光熱融化）方面均表現出卓越性能。其核心創新在于利用簡單的工藝過程，構建了可精確調控的微納分級結構，并將均勻薄膜轉化為異質諧振器陣列，從而協同優化了光熱與潤濕性能。這項工作不僅為解決冰災問題提供了一種高效、低能耗的主動/被動協同方案，也為高性能微納結構超材料的可控制備與功能集成提供了新的設計范式。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202516655

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