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图1.传统平面光热表面的失效原理
为了解决现有光热表面在应用中的挑战，香港科技大学姚舒怀团队开发了一种表面具有V型微结构的超疏水太阳能光热表面（V-grooved superhydrophobic solar—thermal surface, VSS）(图2)。VSS表面通过线切割和超声喷涂技术制备，并通过精确控制表面的结构尺度来达到“一箭三雕”的效果：
图2.长效耐久且全天候防霜的VSS表面工作原理
VSS表面的V型结构可有效调节初始冷凝状态中的蒸汽扩散，限制结霜位置，避免霜在夜间形成时覆盖整个表面。实验结果表明，在寒冷潮湿的环境下，传统平面光热表面会较快地被霜完全覆盖，而VSS表面的霜生长缓慢，同时保留了无霜区域（图3a）。在无光照条件下，相比于平面光热表面迅速被霜完全覆盖，VSS表面可以显著的减慢霜的覆盖速率（图3b）。
图3. a.寒冷潮湿条件下的结霜过程对比图；b.无光照条件下的霜覆盖面积随时间变化对比图；c.结霜前后平面光热表面和VSS表面可见光吸收率对比图。
图4. 在-10°C低温环境及一个标准太阳光照下，a.平面光热表面和b. VSS表面的融霜过程；c.融霜前后平面光热表面和VSS表面的单位质量对比；d.在一个标准太阳光照下，VSS表面在1000次结霜/融霜循环过程中稳态温度和滚动角的变化；e. VSS表面在100次机械磨损中的滚动角变化；f.在100次机械磨损前后，VSS表面和平面表面的光吸收率变化对比。
综上所述，本文通过合理设计V型结构，并利用蒸汽在结构表面的扩散、超疏水层和光热层之间的协同作用，成功开发出了一种长效耐久且全天候防霜的VSS表面。在模拟的寒冷潮湿环境中经过25小时的结霜测试后，该表面能有效抑制霜的全面覆盖，并维持约40%的无霜区域。在标准太阳光照射下，VSS表面的无霜区域会更高效地进行光热转换，从而实现快速地融霜和除霜。此外，V型结构还为超疏水层和光热层提供了额外的保护，确保了其在多次结霜与融霜循环以及机械摩擦测试后仍保持良好的稳定性。这些特点保证了VSS表面具有全天候的防霜性和卓越的耐久性，显著延长了其在极端环境下的使用寿命，在实际应用中具有更加广阔的前景。
相应的成果以“Robust All-Day Frostphobic Surfaces
”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，香港科技大学博士后马维为文章的第一作者，香港科技大学姚舒怀教授、重庆大学颜笑教授为共同通讯作者。END
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