北京航空航天大学衡利苹等：水平光滑表面上液滴自排实时防冰/除冰

研究背景

在高纬度地区，结冰是一种常见现象，其在建筑与道路、船舶与飞机、天线与气象仪器、电力线路及管道上的积累会阻碍多个行业的稳定运行。统计显示，2024 年全球因极端暴风雪造成的经济损失达到 100 亿美元。鉴于此，大量人力与物力被投入到暴风雪后的清理工作中，以减少事故发生并降低巨大的经济损失，包括实施机械除冰和化学除冰措施。然而，这类传统的主动除冰方法不仅缺乏时效性，还消耗大量能源和化学品(> 5 kW m⁻2)，并带来环境与安全隐患。因此，开发能够防止覆冰甚至实现冰自清洁的自动防冰/除冰材料是一种紧迫且有效的途径。

Droplets Self‐Draining on the Horizontal Slippery Surface for Real‐Time Anti‐/De‐Icing

Xiao Han, Xu Sun, Di Zhao, Mingjia Sun, Kesong Liu, Liping Heng*, Lei Jiang

Nano-Micro Letters (2026)18: 60

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01908-9

本文亮点

1. 制备了具有光-热-电协同效应的自排液光滑表面，可在水平器件上实现自动防冰/除冰。

2. 光热转换与热电耦合的协同作用能够同时实现融冰与融化液滴的自排出，从而避免再冻结风险。

3. 无论是融冰过程还是在水平表面上的液滴排斥过程，都无需额外能量输入，仅依赖阳光即可完成。

内容简介

覆冰会在各类基础设施和交通系统上积聚，进而引发灾难性事故并造成巨大的经济损失。虽然许多具有光热效应的防冰表面在初始阶段能够有效抑制结冰，但一旦光照减弱，残留在水平表面的融化水滴会迅速再次冻结。为了解决这一问题，北京航空航天大学衡利苹等人构建了一种自排液滑移表面(SDSS)，可使融化水滴在水平表面上主动移除，从而在阳光(100 mW cm⁻2)的辅助下实现实时防冰。这种结构通过在滑移表面与光热薄膜之间夹入一层薄的热释电层实现功能。得益于光热层与热释电层的协同作用，SDSS 在低温(−20.0 ± 1.0 °C)下不仅能维持 19.8 ± 2.2 °C 的较高表面温度，还能通过热电耦合产生大量电荷。因此，当冷液滴落到 SDSS 上时，由于电荷转移机制引发的静电力会将液滴从带电表面驱离。即使表面在夜间完全结冰，在 −20.0 ± 1.0 °C 条件下接受阳光照射 10 min 后，冰层也能融化并顺利从 SDSS 表面排出，使其恢复清洁。该研究为真实环境中的防冰系统提供了一种新的设计思路。

图文导读

I 设计原理和结构特点

为了在无任何倾斜角度的情况下实现液滴自排出，从而在零下条件下实现防冰效果(如图 1a 所示)，采用简单的旋涂工艺将三层均质材料叠加构建了 SDSS(图 S1)。如图 1b 所示，SDSS 由三层结构组成：滑移表面(PDMS 油凝胶，~50 μm)、热释电层(LN，~500 μm)以及 PC 层(CNTs/PDMS，~600 μm)。其中，为在水平状态下提供实现液滴自排所需的静电力，选用能够释放热致电荷的透明 LN 作为热释电层(图 1c)。然而，亲水性的 LN 表面对水具有强黏附性，会阻碍液滴移动(水滴在 LN 上即使在 90.0° 倾斜角下仍被固定)。因此，为降低 SDSS 移除表面液滴时的黏滞阻力，在热释电层的一侧覆上硅油注入的油凝胶，作为滑移表面。改性后，滑移表面仍保持平整光滑，其液滴滑动角急剧降低至 2.8 ± 0.6°(图 1d)。在另一侧，为避免滑移表面的水分在低温下冻结，在热释电层背面沉积具有高光热转换能力的 CNTs/PDMS 薄膜(图 1e)。如图 S2 所示，含部分微米级团簇的 CNTs 浆料通过交联 PDMS 均匀附着于热释电表面。因此，上述功能材料的组合使 SDSS 在水平状态下无需倾斜或外界扰动即可高效实现液滴自排。与传统光热滑移表面和超疏水表面相比，在阳光照射下，依次滴加在加热后的 SDSS 上的冰水液滴(10 μL)会自发向边缘移动(图 1f)。

图1. 具有液滴自排功能的 SDSS 的设计。a 传统光热材料在表面残留液滴情况下的结冰过程示意图，用于与 SDSS 对比。b SDSS 的液滴自排示意图，其采用夹层结构：顶部为滑移表面，中间为热释电层，底部为光热层。c 作为热释电层使用的高透明 LN 的光学照片，可提供静电力。插图为水滴在 LN 表面被固定的状态(5 μL)。d 注入硅油的 PDMS 作为顶部滑移表面的光学图像。插图为水滴在该滑移表面上的极低滑动角，仅 2.8 ± 0.6°(5 μL)。e CNTs/PDMS 作为光热层的 SEM 图像，用于避免液滴冻结。f 在 100 mW cm⁻2 光照下，落在水平 SDSS 表面上的冷液滴(10 μL)会自发向边缘移动，最终留下干净的表面。

II 水平SDSS上液滴自排机制

为了理解冷液滴为何能在水平 SDSS 上自发移除，提出了热电耦合与电荷转移机制。作为典型的热释电材料，SDSS 中的 LN 展现出明显的热电耦合效应(图 2a)。由于底部接地的 PC 层，有向偶极的负极部分会被屏蔽，因此有向偶极的正极部分形成空穴，使整个 SDSS 带正电势。类似地，如图 2b 所示，当冰水(0 °C)滴落在室温(20 °C)的 SDSS 上时，温度传递会引起局部偶极重新取向。

为验证上述电荷转移理论，测量了冷液滴落在 SDSS 上后的电势分布。与无液滴区域相比，液滴所在的热传递区域会发生强自发极化，形成非均匀电势梯度，并在液滴区域中心附近衰减。需要注意的是，在测量电势前，样品表面的残余电荷已通过电离吹风机去除。因此，SDSS 表面明显产生的电势(4.22 ± 0.37 kV)充分证明了其对热电耦合的高度敏感性(图 2c)。与室温液滴相比，冰水在落入法拉第杯的瞬间显示出明显的电信号阶跃(0.22 ± 0.05 nC)(图 2d)。此外，发现液滴体积越大，由于与表面的接触面积越大，液滴携带的电荷量也越多(图 2e)。

图2. SDSS 上液滴自排机制。a 热释电层的热电耦合过程。当材料受到温度变化作用时，内部偶极会重新排列或失去排列，从而通过压电效应在热变化下产生电荷。b 冷液滴在 SDSS 上自排机制。当冷液滴(0 °C)接触室温(20 °C)的 SDSS 表面时，温差会引起偶极重新取向，形成与液滴中负电荷的双电层，从而导致部分电荷转移。随后，SDSS 与带正电荷液滴之间形成的静电排斥力使冷液滴在 SDSS 上自发移除。c 冷液滴(0 °C)落在温度为 25.5 °C 的 SDSS 上前后表面电势分布。d 室温液滴(25.5 °C)与冷液滴(0 °C)在温度为 25.5 °C 的 SDSS 表面移动后携带电荷的对比。e 不同环境温度下液滴体积与液滴携带电荷量的关系。

即使在相同条件下，环境温度为 25.5 °C 时液滴的转移电荷量是低温(−20.0 °C)下的 1.2–1.8 倍。因此，在环境温度为 25.5 °C 并借助 0.5 太阳光强度的情况下，所有体积为 2.5−50 μL 的液滴都可以在无需外加电场的情况下被清除(图 3a)。但当环境温度降至 −20.0 °C 时，只有体积大于 10 μL 的液滴在 1 太阳光强度的辅助下才能自排(图 3b)。尽管随着光强和液滴体积的增加，液滴自驱动变得更容易，但不同环境温度下的驱动阈值并不一致。为了在低温环境(−20.0 °C)下进一步提高 SDSS 的表面温度和表面电势(E)，研究 SDSS 的光强及光热转换性能具有重要意义。首先，表面温度可随光强增强而升高，而光强受光源功率和照射距离影响(图 3c)。相应地，测得的表面电势也与光源功率成正比，并与照射距离呈负相关，在光源功率为 320 W、距离为 1 cm 的条件下，表面电势甚至可达到 12 kV(图 3d)。总体而言，测得的表面电势可以通过调节光强实现控制(图 3e)，尽管在室温下的增加速率高于低温条件下。

图3. 影响液滴自排的因素。a、b 液滴(0 °C)在 SDSS 上自驱动的相图，随液滴体积和光强变化，在环境温度为 25.5 °C(a)和 −20.0 °C(b)时的情况。c 光源功率和照射距离对 SDSS 表面温升的影响。d 光源功率和照射距离对 SDSS 表面电势的影响。e 不同环境温度下 SDSS 表面电势随光强变化的关系图。

III 光热性能与液体排斥性能

为了提高光热除冰效率，需要保证光热转换层和顶部滑移表面的透明性。另一方面，系统研究了常见 PC 纳米材料的光热性能，主要包括 CNTs、黑色塑料、黑色涂料和活性炭(图 4a)。此外，光热性能与 PC 纳米材料的添加量密切相关。例如，在阳光照射(100 mW cm⁻2)下，稳定表面温度随 CNTs 添加量增加而升高(图 4b)。同样，当 PC 层厚度达到 ~600 μm 时，进一步增加厚度并不能显著改善光热性能。因此，选用厚度为 600 μm、CNTs 含量为 50 wt% 的 PC 层进行后续研究。与未添加 PC 层的 PDMS 相比(图 4c)，SDSS 显示出明显的表面升温效果，可有效避免结冰。具体而言，在光强为 0.5–2.0 kW m⁻2 条件下，SDSS 表面稳定温度分别为 63.9、91.5、120.1 和 152.4 °C，远高于室温下(25.5 °C)PDMS 表面的温度。即使在低温环境(−20.0 ± 1.0 °C)下，SDSS 和 TPS 的表面温度在 1 太阳光照射下仍可分别达到 19.8 ± 1.9 °C 和 23.4 ± 3.1 °C(图 4d、e)。

在 SDSS 上体积为 10 μL 的液滴，其接触角(CA)和滑动角(SA)分别为 106.7 ± 1.1° 和 1.3 ± 0.5°(图 4f)。同样，TPS 上 10 μL 液滴的 CA 和 SA 分别为 83.5 ± 2.4° 和 1.8 ± 0.3°。相比之下，PDMS 表面的 SA 为 20.5 ± 0.7°，表明对液滴的黏附力更大。此外，不同体积液滴在 SDSS 上的超低滑动角(< 5°)说明大液滴和小液滴都能轻松从滑移表面滑落(图 4g-h)。SDSS 的滑移表面能够显著降低表面黏附力，保证液滴无摩擦运动。因此，在阳光照射下，能量转换构建了静电场，使冷液滴能够在水平 SDSS 上自发滚落，留下无滴液的表面，如图 4i 所示。相比之下，虽然 TPS 展示出优异的防冰性能，但残留在水平表面的融化液滴一旦光照移除会立即冻结，就像未添加 PC 层的 PDMS 表面一样(图 4i)。

图4. 影响液滴自排的因素。a、b 液滴(0 °C)在 SDSS 上自驱动的相图，随液滴体积和光强变化，在环境温度为 25.5 °C(a)和 −20.0 °C(b)时的情况。c 光源功率和照射距离对 SDSS 表面温升的影响。d 光源功率和照射距离对 SDSS 表面电势的影响。e 不同环境温度下 SDSS 表面电势随光强变化的关系图。

IV SDSS 的防冰与除冰性能

为了进一步说明 SDSS 在低温环境下的防冰与除冰性能，在 −20.0 ± 1.0 °C、相对湿度 80% 条件下对 SDSS、TPS 以及普通 PDMS 的结冰现象进行了对比。如图 5a 所示，在未添加 PC 层的情况下，PDMS 表面温度与环境温度保持一致，即使在阳光照射下，也会在约 0.5 h 内逐渐形成厚冰层。相比之下，由于添加了 PC 层，TPS 和 SDSS 表面即使在低温(−20 °C)下 24 h 后仍保持无冰状态，表面温度约为 19.8 ± 1.9 °C(图 5b、c)。观察发现，PDMS 表面的冰层在 180 min 后仍完整存在(图 5d)。对于 TPS，虽然表面冰层可因 PC 层的光热效应而融化，但融化液滴会残留在水平表面。残余液滴不仅在一定程度上降低了 TPS 的光热性能(17.7 ± 2.3 °C)，还会在日落后 5 min 内迅速再次冻结(图 5e)。因此，TPS 无法建立稳定且有效的防冰系统。相比之下，SDSS 能在短时间内有效提升表面温度至 19.8 ± 1.9 °C，从而融化冰层。此外，借助热电耦合和电荷转移机制，新建立的静电场使液滴在水平表面自发移除，使表面在 8 min 内恢复清洁(图 5f)。

图5. 防冰与除冰性能。一系列图像展示了在 1 太阳光照射下，a PDMS、b TPS 和 c SDSS 的防冰性能。光学图像显示了在 1 太阳光照射下，d PDMS、e TPS 和 f SDSS 的除冰过程。对应的红外图像反映了各材料在 1 太阳光下的表面温度。实验条件：温度 −20.0 ± 1.0 °C，相对湿度 80%。

V 总结

制备了具有液滴自排特性的 SDSS(由 PC 层、热释电层和滑移表面组成)，即使在无任何倾斜的情况下，也能实现防冰/除冰(环境温度 −20.0 ± 1.0 °C)。在阳光照射下，PC 层通过光热转换融化冰层，并为热释电层创造温差。该温差通过热电耦合与电荷转移作用，在 SDSS 上为冷液滴充电，同时形成静电排斥力，将液滴驱离水平表面。滑移表面覆盖层显著降低了液滴黏附力(SA < 5°)，促进液滴及冰层的移除。与传统光热表面不同，SDSS 能够及时自清洁水平界面上的冰层，保持表面清洁，即使光照消失后，也能防止液滴再次结冰。此外，SDSS 表面在环境条件下的稳定性也非常出色。本工作为制造具有优异防冰/除冰性能的稳定水平防冰表面提供了新的设计思路与参考。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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