1. 基于廉價的蠟燭煙灰實現了低成本、高效率的超疏水光熱表面。2. 在1個太陽光照下，可使該表面溫度升高53 °C，因此，即使在零下50 °C的環境溫度下該表面也不會結冰，而且還能在300 s內迅速融化積聚的霜和冰。3. 高性能防冰表面還具有自清潔、光照自愈合和高耐久性的特點，通過清除吸收和散射陽光的灰塵和其他污染物，進一步提高了它的有效性。冰的積聚（結霜、結冰和凍雨等）給人類社會帶來了各種各樣的問題，如機械故障，房屋、電力損壞等。傳統的除冰策略包括加熱以及化學和機械除冰，但它們都存在耗能、低效率和環境不友好的缺點。最近，人們提出了各種各樣的策略，通過表面改性和針對結冰過程的不同階段來設計防冰材料。如納米/微結構的超疏水表面、富離子聚合物涂層的抗凍材料等。但這些方法仍然存在各種缺陷和挑戰，如高昂的成本，材料老化，結構破壞等。因此，迫切需要新穎有效的防冰策略來抑制不必要的結冰。利用光熱效應和超疏水性，開發多功能表面同時實現融化冰和除去表面水以及其他污染物的策略是解決非必要結冰的理想選擇。無論是從結構上和還是物理上，蠟燭煙灰都具有制備這種多功能表面的潛力：結構上：不完全燃燒使蠟燭煙灰形成近乎完美的分層結構，這種分層結構使沉積在基底上的煙灰成為一種理想的超兩憎（疏水和疏油）涂層。物理上：黑色的蠟燭煙灰具有優異的光熱轉換效果，這使其成為光熱材料。在這種自然分層的蠟燭煙灰中，這兩個因素相互增強。分層結構使蠟燭煙灰具有多重內反射的聚光特性，有利于光熱轉換。而且超疏水性也進一步提高了光熱性能：首先，蠟燭煙灰表面可以立即除去融化的水，而留下干燥的表面；因此，可以避免水的反射率和熱質量，從而大大減少了熱損失。其次，灰塵和其他污染物很容易被融化的水或雨水沖走，留下一個干凈的表面，防止陽光的阻擋和散射，從而有利于保持長期的高光熱效率。基于這兩種結構和物理特性的機理，蠟燭煙灰在除冰上具有得天獨厚的優勢。有鑒于此，加州大學洛杉磯分校Ximin He與上海交通大學朱新遠等人基于廉價的蠟燭煙灰實現了一種低成本、高效率的超疏水光熱表面。該表面由蠟燭煙灰（CS）、SiO2外殼和PDMS組成，其中CS提供分層納米/微觀結構和光熱性能，SiO2外殼用于增強CS的機械性能，接枝的低表面能PDMS使表面具有超疏水性。該表面即使在零下50 °C的環境溫度下也不會結冰，而且還能在300 s內迅速融化積聚的霜和冰。
純CS涂層由直徑為30–40 nm的相互連通的碳顆粒組成。將水滴放在CS表面上，測得的靜態接觸角為161±1°，表明CS層具有天然的超疏水性。由于CS納米顆粒之間的物理相互作用較弱，CS層無法承受滑動水滴的沖擊力。通過CVD法在CS顆粒上涂覆了一層SiO2（稱為SCS）。涂覆之后，其顆粒直徑增加到100 nm。包裹在相互連接的CS顆粒周圍的SiO2形成了牢固的粒子間鍵合，這大大提高了CS涂層的穩定性和耐用性。由于SiO2的親水性，SCS層不是疏水性的，因此通過紫外（UV）照射將PDMS接枝到二氧化硅殼上（稱為PSCS）。在PDMS刷子表面，其接觸角增加到163±1°。當液滴在PSCS表面結冰時，PSCS表面仍然具有光熱效應好和超疏水性。因此，在低于0 °C的環境中，在整個表面上都覆蓋有霜或冰的情況下，利用陽光來融化冰/霜可以有效實現除冰、除水。系統地研究了PSCS在陽光照射下融霜和融冰的能力。在一個太陽照射下，PSCS表面經過60 s的光照后，霜開始融化，融化的水在表面形成水滴，最終PSCS表面幾乎沒有水，其上殘留的少量水會膨脹成微小的水滴，然后很容易地從PSCS表面滾落下來。相比之下，SCS的表面需要更長的時間（240 s）才能融化同樣數量的霜，而且最終表面仍存在融化水。融冰實驗表明，在經過720 s的光照下，PSCS表面上的所有冰塊都融化了，最終水滑落到平臺上。而在相同的光照時間下，SCS表面上只有一部分冰融化了。由于沒有融化的水殘留在表面上，PSCS表面的溫度迅速升高，比SCS表面溫度（8.5 vs. 0.9 °C）高出近10倍，有效地將除霜時間縮短了約66％。此外，利用光熱效應融冰不會對分層結構造成破壞，經過20次除冰循環后PSCS表面仍表現出良好的穩定性，突出了PSCS表面優異的耐久性。
圖3. 一個太陽照射下SCS和PSCS表面霜和冰的光熱融化。使用這種溫和的遠程光照方法，PSCS光熱表面不僅不易受損，甚至可以在光照下自行恢復其超疏水性。當PSCS表面暴露于氧等離子體時，極性基團被引入表面；因此表面變得超親水，接觸角小于10°。在1個太陽照射1 h后，PSCS表面恢復了超疏水性，接觸角大于150°，這可能是由于在1個太陽下光熱效應產生的熱量引起了PDMS刷子的旋轉。修復后的PSCS表面由于其獨特的超疏水特性而具有自清潔功能，可以清除沙子、紙屑和其他污染物。在實際的戶外應用中，這種自清潔特性對光熱效率至關重要，因為污染物可以阻擋和散射陽光。如圖4C–D，當SCS和PSCS表面被沙子覆蓋時，溫度僅能升高14.5 °C，而在PSCS表面，一旦沙子被水滴帶走，溫度便可再次升高至53 °C。
圖4. PSCS表面的自愈特性及其在一個太陽照射下的自清潔性能和溫度。這項工作利用廉價的蠟燭煙灰制造了一種具有優異耐久性的超疏水光熱防冰表面。由于良好的超疏水性能和光熱效應，在一個太陽的照射下，這種超疏水光熱表面可以在幾分鐘內將表面的冰/霜融化，且不存在殘留水。同時，超疏水性還賦予了這種表面自清潔能力，雨水或融化的水將清除表面的灰塵和其他污染物，從而實現長期的防冰性和高的光熱效率。與傳統的機械除冰方法相比，光熱效應引起的融化可以減少除冰過程中表面分層結構的破壞，從而提高表面的耐久性（超過20個循環）。PSCS表面因其廉價、生態友好性和節能性而顯示出巨大的實際應用前景。Shuwang Wu, et al. Superhydrophobic photothermal icephobic surfaces based on candle soot. PNAS 2020, 202001972.DOI: 10.1073/pnas.2001972117.https://doi.org/10.1073/pnas.2001972117
