武汉理工大学吕松团队Mater.Horiz.封面论文：用于极地环境高效除冰与界面蒸发的蚁穴状光热超疏水海绵

摘要：在极地环境中，冰层覆盖和淡水短缺长期制约着人类活动。传统除冰方法依赖电能或化学试剂，不仅效率低下，还可能污染环境；而极地淡水供应则依赖能源密集的海水淡化或冰雪融化，成本高昂。此外，极地的低辐射和低温对传统的光热材料和超疏水表面结构构成了挑战。

在极地环境中，冰层覆盖和淡水短缺长期制约着人类活动。传统除冰方法依赖电能或化学试剂，不仅效率低下，还可能污染环境；而极地淡水供应则依赖能源密集的海水淡化或冰雪融化，成本高昂。此外，极地的低辐射和低温对传统的光热材料和超疏水表面结构构成了挑战。

面对这一全球性挑战，武汉理工大学吕松教授科研团队研究团队从大自然中寻找灵感——蚂蚁巢穴精巧的多孔结构既能保持通风，又可高效调节湿度。基于这一仿生学原理，设计出具有微纳复合粗糙表面的超疏水海绵材料（PMOS），通过自聚合和薄膜沉积技术将聚多巴胺和多壁碳纳米管附着到三聚氰胺海绵表面，成功制备了蚁穴状纳米结构。其内部仿照蚁巢构建了跨尺度的多级堆叠空隙，形成高效的光热转换网络和蒸汽逃逸通道。测试结果表明，得益于光热材料的广谱吸收特性和微纳米多孔结构的光捕获效应，PMOS在全波段的吸收率高达98%，在单个太阳光强下，PMOS的表面温度可在100 s内迅速升高至95°C。此外，PMOS 的超疏水表面形成一个气垫层，有助于主动除冰，并且光热转化导致冰层迅速融化并从表面分离。一块 0.5 厘米厚的北极海冰，在仅 0.5 倍太阳光照强度下，也能在 540 秒内实现快速清除。此外，PMOS 表现出优异的界面蒸发性能，北极海水在单个太阳光强照射下以高达 2.76 kg/m²·h 的界面速率蒸发，即使在 0.5 倍的太阳光强下也以高达 2.35 kg/m²·h 的界面速率蒸发。更重要的是，我们成功地探索了 PMOS 界面蒸发和除冰一体化，其能够在 7200 秒内将厚度为 0.5 cm 的北极海冰转化为淡水。此外，PMOS 还表现出优异的机械耐久性、耐酸碱性和自浮性能。凭借这些特性， PMOS 在有望应用于极地考察站、船舶防冰涂层，甚至火星探测等深空任务，进行防冰除冰及海水淡化。

2025 年5 月，该工作以“Durable and Highly Absorptive Ant-Nest Structured Superhydrophobic Sponge for Efficient De-Icing and Interfacial Evaporation in Polar Environments”为题发表在《Materials Horizons》上，并作为封面文章被报道。审稿人认为此项工作具有极大的创新性和广阔的技术应用前景。尤其在极端环境下的防冰/除冰和水资源利用方面展现出广阔前景。

文章第一作者为武汉理工大学硕士生卢彤辉和吕松教授担任论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等基金项目的支持。