西南科大李国强教授团队《Nano Letters》封面论文：高透明和低能耗的仿生电热超疏水防除冰表面

太阳能电池板、车载风挡玻璃及安防监控镜头等透明功能器件，已深度融入现代生产生活体系，成为支撑能源、交通与公共安全等领域高效运行的核心装备。然而，在低温、雨雪、冰冻等极端气象条件下，此类器件表面易发生雾凇凝结、霜层覆盖、冰层附着及等现象，引发能源转换效率骤降、行车视野受阻、监控画面失真等问题，对人类生产生活带来诸多安全隐患和财产损失。因此，研究兼具透明特性的高效防/除冰技术具有重要意义。

超疏水表面可降低固液接触面积、减少液滴接触时间、延缓结冰时间，经由电热辅助后可有效防冰、并快速融化覆冰，具备全天候防/除冰的特性。电热超疏水表面已成为当前防/除冰领域的研究热点，但仍难以同时实现高透明、超疏冰、低能耗的效果。

被动防冰方面，ECBF表面的水滴接触角为156°，滚动角为6°，水滴几乎没有发生塌陷，这是因为液-气接触凹界面引起的Laplace压力P₁和P₂方向朝上，充当阻碍液体渗透的能量屏障。随着温度降低，微结构表面上逐渐凝结出微小液滴。在两个相邻微锥结构的顶部，微液滴团簇不断聚集，引起新的方向朝下的对称Laplace压力P₁'，使液-气界面逐渐向下移动，液-气接触界面由“凹”转为“凸”；然而，在微锥和边框结构的顶部，由于微锥和边框的高度和形状不同，在微液滴聚集过程中只有微锥一侧产生Laplace压力P₂'。微锥两侧的不同Laplace压力则会导致液滴出现非平衡渗透现象，使接触液滴呈相互拉扯状态，有效阻遏了液滴的渗透，可减少液滴在降温过程中的塌陷、防止液滴冻结后钉扎，最终冰粘附强度低至1.61 kPa。

图2 超疏水表面的超低冰粘附作用机理

电热主动防冰方面，ECBF在0.05 W/cm²的低电功率密度输入下，可在50s内快速升温至44°C，在0.25 W/cm²的电功率密度输入下，可在100s内快速升温至113°C，电热转换效率高达404.08 °C cm²/W，具备快速的电热响应和电热转化能力，并且在电热性能的重复性测试中也表现良好。在0.05 W/cm²的低电功率密度输入下，ECBF可实现在-20℃环境中的有效防冰，这主要得益于结构的封闭性：在只有微锥结构的ECF表面上，随着温度降低，表面的气压会逐渐增大，微结构中的空气会逸出，导致水滴完全浸入表面的微结构中，表面由Cassie-Baxter态逐渐转变为Wenzel态；而在ECBF表面上，六边形边框会对微结构中气体的逸出起到阻碍作用，使液滴保持稳定的Cassie-Baxter态。

图3 电热超疏水表面的电热性能和防冰机制

该工作以“Transparent electrothermal superhydrophobic surface with low energy penalty and durability for anti/deicing”为题，并以封面文章的形式，发表在国际高影响力期刊《Nano Letters》(IF=9.1)。西南科技大学特聘副教授王远和2022级机械专业硕士研究生王磊为论文共同第一作者，西南科技大学李国强教授、中国空气动力研究与发展中心刘森云研究员、中南大学银恺教授担任论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目、四川省科技厅杰出青年科学基金项目、四川省青年科学基金项目、中国空气动力研究与发展中心结冰与防/除冰重点实验室开放基金项目、西南科技大学人才引进启动基金项目的支持。

图4 封面图介绍

近年来，西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室微纳仿生制造团队围绕“极端环境防/除冰”国家重大战略需求，开展了一系列基于仿生理念的基础研究，发表了包括：仿白车轴草的超低冰粘附强度防除冰金属表面（ACS Nano, 2023, 17, 21749-21760, 高被引论文）、仿火山口型的超坚固防除冰金属表面（Small, 2024, 20(43), 2404979, 封面论文）、仿北极熊毛发中空毛发的高效光热防除冰薄膜（Mater. Horiz. 2024, 11(15): 3561-3572, 封面论文）、仿蜂巢和蝴蝶翅膀的坚固耐用低能耗电热防除冰薄膜（Adv. Funct. Mater. 2025, 14771）、仿蘑菇头的超抗液滴冲击的防除冰薄膜（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2025, 17(3): 5550-5561）在内的多篇高水平论文。这些具有前瞻性和创造性的研究成果，在破解能源基础设施（太阳能电池板、风电叶片、高压输电线）和航空航天装备等领域的防/除冰技术难题中，发挥了重要作用。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03087