上海理工大学顾敏/王彤AFM: 协同光热与超疏水超表面实现被动辐射冷却与防/除冰

被动辐射制冷技术通过将地表热量以热辐射形式经由大气透明窗口（8-13 μm）直接散逸至低温外太空，无需能量输入且不产生温室气体排放。然而，辐射制冷材料在实现亚环境温度的同时，其表面低温特性在冬季高湿度或高纬度地区不可避免地促进冰核形成与冰层积聚，构成制约其全年户外应用的关键瓶颈。如何在同一材料中兼顾夏季高效冷却与冬季主动防/除冰，成为该领域亟待突破的关键科学问题。

近日，上海理工大学顾敏院士、王彤特聘副研究员，联合武汉纺织大学武艺副教授提出了一种分级工程化策略，通过构建集辐射制冷、光热转换与超疏水功能于一体的复合超表面薄膜（SFPS film），有效解决了这一季节冲突。相关工作以“Synergistic Photothermal and Superhydrophobic Metasurface for Passive Radiative Cooling and Anti-/Deicing”为题，发表于《Advanced Functional Materials》，第一作者为王彤特聘副研究员和硕士生庞俊伟，通讯作者为顾敏院士、王彤、武艺副教授。

协同光热与超疏水超表面的设计。SFPS薄膜包括（1）隔热散射层：将空心玻璃微珠（HGBs）与纳米二氧化硅（nano-SiO₂）自组装为“超球”（supraballs）结构，形成兼具强Mie散射与低热导率的复合层；（2）表面微结构多功能复合层：通过表面构筑周期性金字塔阵列微结构，利用渐变折射率效应将大气窗口发射率提升至96%；并进一步通过沉积SiO₂@Fe₃O₄核壳纳米球，并经表面改性，赋予薄膜光热转换能力与低表面能特性。

图1. SFPS 薄膜制备过程和形貌表征

防冰与除冰性能：超疏水+光热协同增效。SFPS薄膜经表面改性后水接触角达152.1°，且经480小时加速老化（紫外/冷凝循环）后仍保持超疏水特性。在–20 ℃、1个太阳光照（1000 W·m^-2）条件下，水滴在裸玻璃上69秒即完全冻结，而SFPS薄膜将冻结时间延迟至316秒（延长4.6倍），归因于分级微纳结构捕获的空气层有效降低固液接触面积与冰核形成概率。同时，光热效应使表面温度快速升高，冰珠融化时间较裸玻璃缩短51%。冰粘附强度测试显示，SFPS薄膜的冰粘附力约25 kPa，较裸玻璃（~360 kPa）降低93%，优于常规超疏水涂层，可有效实现被动除冰。

图2. SFPS 薄膜的超疏水和光热性能测试

户外辐射冷却与全球节能潜力评估。在上海夏季晴朗天气下，SFPS薄膜实测表面温度低于环境4-6 °C。对全球10个典型城市的办公建筑进行全年能耗模拟，结果表明SFPS薄膜相比商用白色涂料可降低年冷却能耗10%-30%，其中高降温度日数和强日照地区节能潜力尤为突出，展现了该薄膜在全球不同气候区的适用性。

总结与展望。该工作通过分级结构设计，将辐射冷却、光热除冰与超疏水防冰集成于单一薄膜，实现了“夏冷冬防”的全年被动热管理。这一策略为建筑围护结构、光伏组件、输电线及无人机等户外设施的节能与安全运行提供了新思路。未来，团队将进一步推进低成本规模化制备，并系统评估其在多重环境应力（紫外、热循环、机械磨损）下的长期服役性能，以实现多场景的实际应用。

原文链接：http://doi.org/10.1002/adfm.77762