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图1 具有水滴自清除的光热防冰表面的制备与防冰性能
在国家自然科学基金项目（批准号：21875261、51925307、21733010、21805286、52005022）等的资助下，中国科学院化学研究所贺志远副研究员与美国加州大学洛杉矶分校Ximin He助理教授合作，联合北京航空航天大学，清华大学，美国伊利诺伊大学香槟分校等科研机构，在低温高湿极端环境下防冰方面取得进展。研究成果以“在极端环境下具有增强水滴自清除的光热防冰表面（Solar anti-icing surface with enhanced condensate self-removing at extreme environmental conditions）”为题，于2021年4月26日在《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上在线发表。论文链接：https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2100978118/-/DCSupplemental。
在超低温、高湿度等极端环境下，空调结霜、大型风力发电机组覆冰、飞机表面结冰等问题的有效解决，是近年来极具挑战性与紧迫性的研究方向。风电作为新型绿色能源一直受到国家高度重视，但中国有大量风场位于易遭覆冰影响的低温高湿地区，冰冻现象对发电量、电网调度和运行可靠性产生重要的影响，甚至引发严重的安全事故。因此，风电机组在低温高湿度地区的抗冰冻问题，已成为我国新能源风电领域亟待解决的问题。
受小麦叶片上水滴弹跳和光热转化策略的启发，研究团队使用超快脉冲激光沉积技术，构建了多尺度微纳结构与低表面反射率的“超黑”材料，在冷凝水自清除和高效太阳能吸收协同作用下表现出优异的抗反射、超疏水与高光热转换效率等综合性能。在超低温（-50 °C）与高湿度环境（冰过饱和度约为260）下，该表面能促进冷凝水在冻结之前从表面融合跳离，从而暴露出更多的干燥表面发生光热作用，确保在极端环境下表面温度依然大于0 °C，实现无冰可结的目标。这种“超黑”材料可以在不同表面，如金属、陶瓷、塑料、橡胶、水泥等材料上沉积，具有优异的机械性、耐久性与防冰性能。该研究工作揭示了低温高湿极端环境的表面结冰机制，为进一步设计防冰材料提供了理论与技术支撑，同时也为大型风力发电机组除冰提供了解决思路。
该研究发表后，被《自然》（Nature）杂志作为研究亮点（Research Highlight）报道（链接：https://www.nature.com/articles/d41586-021-01144-2）。