一种自调节光热防冰/除冰薄膜，适用于全年使用

为何阻止结冰与散热同样重要

从飞机与输电线到屋顶太阳能板，现代生活的许多部分在冬季结冰和夏季表面过热时都会受到影响。传统的解决办法——如电加热、化学融冰或人工刮除——既消耗能源、增加成本，又可能危害环境。本文介绍了一种智能的全年涂层，可用于屋顶、机翼、风力叶片和电力设备。它在冬季自动吸收阳光以对抗结冰，而在夏季则切换为反射阳光并保持降温，从而有助于降低安全风险和能源消耗。

由三层协同工作的薄膜

研究人员设计了一种仅数毫米分数厚的柔性薄膜，由三层协同构成。最上层透明且具有极强的疏水性，表面刻有微小的“蛾眼”结构，使水滴易于聚结并滚落，携带污物一起离开。这既保持了表面的干燥与清洁，又允许大部分阳光透过。中间层是一种特殊水凝胶，会随温度改变其对光的处理：在冷时保持透明、透光；在变暖时内部结构重排变得乳白，从而散射并反射阳光。底层是一种深色橡胶基复合材料，填充有碳纳米管和类液态蜡，既高效吸收太阳能，又通过熔化和凝固存储热量。

薄膜在寒冷中如何对抗结冰

在冬季低温下，中间的凝胶层保持透明，整个薄膜对阳光呈现暗色。阳光透过上层和中间层进入底层，碳纳米管将光转化为热能。嵌入的相变材料熔化后充当微型热电池，储存热量并在云遮或夜间缓慢释放。同时，顶层的极端疏水性减少了水滴与冷固体之间的接触，使冰晶更难成核。在–20 °C的测试中，普通塑料表面的水滴在不到两分钟内结冰；而在新薄膜上，结冰被延迟到近20分钟——约十倍的改善。储存的热量在模拟阳光照射下也有助于融化已有的冰霜，使模型房屋上的冰滴乃至冰块脱落并滑落。

在高温下如何保持降温

在炎热天气中，相同的薄膜会自动改变其行为。随着凝胶层温度上升到20多摄氏度，凝胶的内部网络塌缩成细小致密域，层变得不透明且呈白色。此时，它不再透过大部分光线，而是反射和散射大量太阳辐射，大幅减少到达吸收层的能量。蛾眼顶层也通过在有效太阳波段减少反射同时阻挡有害紫外线来辅助降温。与此同时，薄膜在红外区域有效地向外辐射热量，允许其在夜间低于周围空气温度。潮湿亚热带夏季的户外测试显示，中午时分，简单的深色吸光涂层比新薄膜高出超过17 °C，而智能薄膜在日落后经常比空气低几度。

耐久性与现实世界的节能效果

要让任何表面涂层实用，它必须经得住阳光、雨水、灰尘和机械磨损。带有蛾眼结构的顶层经受住了数百次磨损和胶带剥离循环、沙粒冲击、酸雨和强紫外照射，同时保持了疏水性和光学特性。凝胶层在多次加热和冷却循环中保持了可逆的变色行为且不易干燥，这得益于精心的密封设计。相变层在反复熔化与凝固过程中几乎没有容量损失，且设计上减少了泄漏。通过对典型中高层住宅在从寒冷北方城市到温和地区等多种气候条件下的计算机模拟，作者发现将此薄膜应用于屋顶可比深色吸光屋顶每年减少超过10%的制冷能耗，同时避免了高反射屋顶常带来的冬季采暖惩罚。

对日常生活的意义

简言之，这项研究表明，一种单薄的涂层既能在冬季帮助保持关键设备无冰，又能在夏季降低过热和空调需求，无需开关、电力或机械部件。通过结合疏水纹理、温度敏感的光控和内置蓄热，薄膜能够根据季节和天气自行调节。尽管仍有挑战——例如为某些含氟成分寻找更环保的替代品以及扩大制造规模——这种方法为更安全的飞机与电力系统、更高效的建筑以及全年更凉爽、更具韧性的城市提供了可能性。

引用: Du, J., Wang, W., Fu, Y. et al. A self-regulated photothermal anti-/deicing film for all-season applications. Nat Commun 17, 2632 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69494-x

关键词: 防冰表面, 光热涂层, 温变水凝胶, 辐射制冷, 建筑节能