摘要：极地地区拥有巨大的能源和资源开发潜力，但其常年低温多冰，冰区航行的船舶和海洋平台结构表面极易覆冰，严重制约了该地区资源勘探、开发、运输及科学研究的开展，限制了我国极地战略的实施。而在社会层面，温室效应导致北半球大陆地区极寒天气频发。设备/设施表面如飞机、风力叶

极地地区拥有巨大的能源和资源开发潜力，但其常年低温多冰，冰区航行的船舶和海洋平台结构表面极易覆冰，严重制约了该地区资源勘探、开发、运输及科学研究的开展，限制了我国极地战略的实施。而在社会层面，温室效应导致北半球大陆地区极寒天气频发。设备/设施表面如飞机、风力叶片等结冰会造成严重经济损失，甚至危及人身安全。而现行的通过外部干预手段快速去除冰层的主动除冰技术存在“高能耗”局限，不符合可持续发展目标。而在长期低温、动态冲击等复杂环境下，界面覆冰不可避免，单纯依赖降低界面成冰倾向的防冰技术难以满足实际应用需求。因此，开发具有本征低冰粘附特性的疏冰界面是应对这一挑战并契合可持续发展理念的有效策略。

日前，清华大学李津津团队基于膨胀石墨网络和线型聚吡咯改性的温控变形微球，开发了一种具有持久疏冰性能和超低温适用性的油凝胶基润滑疏冰涂层（CP_U80@L-Ppy），并揭示了双机制协同的超低温疏冰机理。此外，通过新型双尺度分级导电网络与涂层滑溜特性的协同作用，引入了光/电响应疏冰功能，进一步提升了涂层对超低温环境的适应性，并拓宽了其全天候应用潜力。相关工作以“Photo- and Electro-Responsive Super-Slippery Oleogel Coating for Ultra-Low Temperature Ice-Phobic Applications”为题发表在Advanced Functional Materials上。

受生物启发的涂层设计与制备

研究者基于柚子皮三维多孔海绵状夹层结构的仿生设计，通过线性聚吡咯分子功能化修饰的温控形变微球（U80@L-Ppy）在油凝胶基质中定向构筑多级孔隙，同步引入液态润滑相，开发了一种具有超低温适用性的油凝胶基润滑疏冰涂层（CP_U80@L-Ppy）。在此基础上，通过整合新引入宏观膨胀石墨导电网络与上述微观线性聚吡咯导电分子的跨尺度协同效应，在涂层内部构建了双尺度分级导电/导热通路，赋予涂层光/电响应疏冰功能，从而拓宽了其全天候应用潜力。

图1.具有全天候疏冰性能涂层的生物灵感、概念示意图和制备过程。

关键组分的结构解析

首先，对涂层制备过程中的核心关键原料—线性聚吡咯修饰温控形变微球（U80@L-Ppy）进行了表征。SEM分析证实聚吡咯分子以纤维状结构接枝在微球表面；FT-IR与XPS光谱共同验证聚吡咯特征官能团（C-N/C=N）及氮元素化学态（–NH–）的成功锚定。接着，基于温控形变微球在梯度温度场中的膨胀-收缩动态响应特性，精准构建了多孔结构。随后，通过SEM-EDS联用技术，揭示了涂层的截面形态，以及宏观膨胀石墨网络与微观聚吡咯分子链的分布特征（其空间耦合效应为后续电响应疏冰功能提供了结构基础）。

图2. CP_U80@L-Ppy涂层及原材料的表征。

涂层的宽温域疏冰性能探究

完成涂层制备及表征后，研究者利用自研的用于评估多环境、多工况下冰粘附性能及动态行为的开放式冰粘附强度测试系统，系统探究了CP_U80@L-Ppy涂层的疏冰性能。结果表明，该涂层在极地全年平均温度（−30°C）下的冰粘附强度较工业常用玻璃钢基底锐减99.5%至3.76 kPa；且经231次结冰/脱附循环后仍能维持约9 kPa的超低粘附水平，彰显了其持久稳定的长效疏冰特性。为解析该现象，研究者深入探究了其长效疏冰机制：首先，231次循环过程后涂层硅油质量仅损失17%的实测结果验证了其优异的持油性能，这主要归因于涂层结构赋予的三重持油机制：即油凝胶骨架固有的硅油亲和性、有机线性聚吡咯分子与硅油之间的强相互作用，以及膨胀石墨的层片状结构提供了额外的吸附位点，进一步增强了持油能力。而这一能力是确保限域硅油层持续润滑作用的关键。进一步通过多维度机制分析，阐明了基于长效限域硅油层的润滑特性、油凝胶基质与刚性冰的模量失配效应以及多孔结构诱导形成柔性油凝胶基质区域的微裂纹引发效应的协同疏冰机理。

研究者进一步利用自主搭建的可满足−100℃测试要求的超低温域冰粘附强度测试系统，探究了CP_U80@L-Ppy涂层的超低温疏冰性能。结果显示，即使在−100℃ ~ −70℃的严苛温域内，该涂层的冰粘附强度始终低于30 kPa，证明其具有超低温适用性，可用于布局极地应用。随后，结合超低温环境下冰脱附过程的显式动力学有限元模拟，揭示了其超低温疏冰机理：一方面，冰与凝固硅油及油凝胶基质之间垂直方向的模量失配导致不相容变形，有效促进冰层脱附；另一方面，涂层表面凝固硅油与油凝胶骨架之间的切向模量失配诱导界面微裂纹形成并扩展，进一步加速了冰的脱离过程。

图3.CP_U80@L-Ppy涂层的疏冰性能。

涂层的光/电响应疏冰功能拓展

图4. CP_U80@L-Ppy涂层的延迟结冰特性和光响应疏冰功能。

此外，基于宏观尺度膨胀石墨网络与广泛分布于涂层多孔结构内部的微观聚吡咯纳米线协同构建的双尺度分级导电通路，可实现热量快速全域分布，避免了传统多层涂层（包含单独电热层）的异质热阻效应。在此传导机制下，−15°C环境中，仅需两节串联标准电池（3.5 V）即可驱动涂层实现1.4 min电响应解冻和2.6 min冰自发脱附，展现出低能耗疏冰能力。值得注意的是，该涂层还具备一定的抗冲刷界面耐久性。依托其强硅油限域能力和固有的低冰粘附特性，即使经受持续500秒的2 mL/s强水流冲击，涂层冰粘附强度仍稳定维持在30 kPa以下，彰显了其全天候、多工况应用潜力。

图5. CP_U80@L-Ppy涂层的电响应疏冰功能。

CP_U80@L-Ppy涂层的双重光/电响应润滑疏冰功能显著增强了其在超低温环境中的适应性和长效服役能力，使其不仅能够有效保障极地设备与基础设施的稳定运行，更可拓展至防污减阻、极端低温流体调控等多元化应用场景，为严寒气候下的表面工程技术发展提供了创新解决方案。

小结

本研究制备了一种具有持久疏冰性、超低温适用性、全天候适应性和低能耗的响应型油凝胶基润滑疏冰涂层(CP_U80@L-Ppy)。该涂层在极地地区全年平均温度(−30℃)下的冰粘附强度降至~3.76 kPa，且在231次结冰/脱附循环后仍保持在10 kPa以下。这归因于包括油凝胶基质、膨胀石墨导电通路和有机线性聚吡咯分子在内的所有组分对硅油的强亲和性。即使在−100°C至−70°C的超低温条件下，涂层的冰粘附强度也保持在30 kPa以下。进一步结合有限元模拟，揭示了冰-涂层界面垂直模量失配诱导不相容变形，以及涂层表面组分间切向模量失配促进微裂纹扩展的超低温疏冰机理。此外，在基底温度为−30°C条件下，涂层在“1 sun”光照强度下保持不结冰，且无需外力作用即可实现快速解冻（1 min）和冰层自发滑离脱附（2.8 min），这主要归功于线性聚吡咯的光响应特性、表面多孔结构的光热增益效应以及涂层本征的滑溜特性。此外，由于双尺度分级导电通道的广泛分布，在−15°C下，仅需两节串联的标准电池（3.5V），即可实现电响应除霜（1.4 min）和冰层脱附（2.6 min），显著减少了有功能量输入，降低了能耗。这项工作为开发具有超低温疏冰性的响应型涂层提供了一种新策略，强调了其在极地地区工程应用的潜力。

引用格式：

Zhang R, Zhang H, Dong S, et al. Photo‐and Electro‐Responsive Super‐Slippery Oleogel Coating for Ultra‐Low Temperature Ice‐Phobic Applications[J]. Advanced Functional Materials, 2025: 2501530.

原文链接：

DOI: 10.1002/adfm.202501530

来源：高分子科学前沿一点号1