希夫纳达尔研究所Harpreet Singh Grewal团队Small Methods：迈向可持续发展：一种用于耐用防冰超疏水表面的生态友好方法
引用格式：
Pradhan R, Grewal H S. Towards Sustainability: An Eco‐Friendly Approach for Durable Anti‐Icing Superhydrophobic Surfaces[J]. Small Methods, 2024: 2400459.
柔性超疏水表面的日益增长的兴趣超出了各种实际应用，如太阳能电池板，柔性电子产品等，这项研究介绍了一种具有成本效益和环境友好的方法，以创建一个持久的，灵活的，光学半透明的超疏水膜具有极端的防冰字符。在受控条件下进行基于生物燃料的火焰处理的预应变聚二甲基硅氧烷膜诱导微皱纹与叠加的纳米颗粒簇，同时保持表面的柔性和透明度。这种细致的工艺提高了表面粗糙度，实现了超疏水特性（λ> 165 Ω），具有非常低的倾斜角（<3 Ω），对水的粘附力<2 μN（低于荷叶）。由于在模拟降雨下的有效清洁，应用于太阳能电池板上的薄膜在5秒内产生<1%的电压降。由于纳米团簇的存在，所开发的膜的显著防冰性能的特征在于在50次冰/除冰循环中冰附着力<25 kPa。在长期暴露于恶劣的外部环境下，薄膜显示出非凡的弹性和持续的功效。这些超疏水膜的特点是灵活性，耐用性和透明度，为制造结构提供了有希望的机会，即使是复杂的几何形状。这些发现意味着在超疏水表面的实际利用方面迈出了重要的一步，展示了它们在各种现实世界应用中的潜力。
图1. 在光学显微镜（a-d）、场发射扫描电子显微镜（e-h）和纳米特征的放大SEM（i-l）中，用优化的参数进行火焰处理的PDMS样品在微米和纳米尺度上的形态。所施加的应变在（a、e、i）10%、（b、f、j）20%、（c、g、k）30%和（d、h、l）40%下变化。原子力显微镜（AFM）结果m）显示了在不同应变下在优化参数下处理的PDMS样品的粗糙度因子。（n）提供了在蓝色火焰中用40%施加应变（S4）处理的PDMS样品的表面粗糙度和纹理的信息，其中处理样品的AFM图像包括在插图中。
图2. （a）涉及PDMS链的伸长随后断裂的过程，导致与未拉伸的PDMS相比，在应变火焰处理过程中产生更多的低聚物物种。（b）阐明火焰处理过程中PDMS上表面皱纹产生的机理的示意图，伴随着用装饰这些表面特征的基于甲基的低聚物官能化的二氧化硅纳米颗粒的原位合成。（c）描述在通过火焰处理的PDMS解聚期间发生的化学反应。
图3. （a）根据施加的应变检查在优化参数中处理的样品的润湿特性（b）标题为S4的样品上的水滴的快照。（c）对于在10%（S1）至40%（S4）施加应变条件下的初级反应区中的加工样品，证明了液体表面张力对润湿行为的影响。维斯光谱结果描述了原始PDMS和样品的辐射透射率，所述样品在120CPM的处理频率下在反应器的初级反应区中以不同的施加应变处理60s。火焰光线透明机制的插图突出了褶皱间距和高度的变化。
图4.（a）通过在100 μN的预载荷下使用力张力计测量与10μL水滴的相互作用，在不同的施加预应变条件下评估原始和火焰处理的PDMS样品的粘附性能。（b）系统地研究预载荷以评估Cassie状态的稳定性。（c）分析了S4试样与不同表面张力液体的粘附力变化。插图显示了用于计算在规定条件下以40%施加应变处理的样品的粘附力的力-位移图。（d）示出了由原位生成的纳米颗粒诱导的毛细效应（插图显示了由于大雨而受损的荷叶表面）。
图5. （a）描述了过冷液滴冲击试验对S4样品上进行的液滴滑动行为的影响。（b）说明了在原始PDMS和S4样品的10μL液滴测试中观察到的延迟冷冻现象。（c）湿度对原始PDMS和S4样品上的液滴冻结时间的影响。（d）表明与原始PDMS相比，S4样品上的结霜延迟。（e）湿度对原始PDMS和S4样品上结霜的影响。（f）表示对原始PDMS（插图）和S4样品进行的冰粘附性测试。
图6. 时间序列图像提供了可视化文件的应用开发超疏水薄膜的户外太阳能电池板覆盖。具体地，（a）示出了覆盖有S4样品的太阳能电池板，（b）显示了未覆盖的太阳能电池板，并且（c）显示了原始的PDMS覆盖的太阳能电池板。
总结与展望
我们的研究介绍了一种新颖的，具有成本效益的方法，用于制造具有特殊去湿，自清洁和防结冰特性的柔性，耐用和半透明的超疏水表面。通过在受控条件下对拉伸诱导的PDMS乙醇基生物燃料进行火焰处理来形成分级结构化表面。有意施加的应变会产生规则的微皱纹，并饰以纳米二氧化硅颗粒，对各种液体表现出显着的去湿效果。防冰能力来自于减少的水接触面积，这归因于毛细管效应和低表面能的组合，从而导致低冰粘附。这种方法不仅制造了超疏水和防冰表面，而且通过简单，高效和成本效益而与众不同。开发的样品表现出低水滴粘附力（102μN）和冰粘附力（1020μN），表现出对不同应力源和长期风化的弹性。这些柔韧且有弹性的薄膜有望用于创建具有自清洁、防染色和防结冰功能的结构，特别是在透明性至关重要的情况下，而不受几何限制的约束。
原文链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202400459
相应的成果以“Towards Sustainability: An Eco-Friendly Approach for Durable Anti-Icing Superhydrophobic Surfaces”为题发表在Small Methods上，文章的通讯作者为Harpreet Singh Grewal。
