【新材料】MIT研发“白天吸收太阳光 需要时再以热能释放”的新型材料
发表时间：2/17/2016
当你感到寒冷时，假如你身上的衣物能够自动释放热能替你保暖，是不是令人感到相当“暖心”呢？这项技术或许在不久后的将来就能成真。美国麻省理工学院（MIT）的科学家们，研发出一种透明的聚合物薄膜，可应用于各种不同的表面，包括衣服或玻璃窗户等，它能够吸收太阳光，并在需要的时候，转换为热能释放出来。
虽然太阳能为取之不尽的能源，但只有在白天的时候，我们才能利用其能量作为用途所需，因此，不少科学家致力研究要如何最有效率的储存太阳能，以在阴天或夜晚时使用，目前大多数的技术，都着重于如何储存与利用转换为电力的太阳能。
而麻省理工学院的科学家，研究出一种高效率的太阳能储存方法，有别于现存的技术，研究团队透过化学反应的形式储存太阳能，并在需要的时候以热能释放出来，这项研究被发布在期刊《Advanced Energy Materials》上。
团队表示，要长时间且稳定储存太阳能热能的关键点在于，要以化学反应的形式储存、而非直接以热能的形式储存能量，因无论隔热材料与效果再好，随着时间的流逝，热能总会逐渐消散，但若以化学系统的模式，则可无限期将能量以分子结构形式储存，直到透过一点点热能、光能或电的触发，将其能量以热能形式释放。
要作为这项材料的分子，必须能以 2 种不同的结构形式稳定存在。接触到太阳光时，光能会使这种分子变为“充电状态”的结构，且可以以这种结构形式长时间稳定存在，接着，若以特定温度或其他形式的刺激该分子，分子便会马上退回其原始的结构状态，并在这过程中释放出热能。
团队使用的化学形式储存能源的材料为“太阳热能燃料（solar thermal fuels，STF）”，这种材料先前就曾被该团队研发出来，但当时是以液态形式被使用，而非制造出可长久存在的固态薄膜，而现在，团队利用新技术，让 STF 以便宜又广泛运用的技术、聚合物薄膜材料的形式存在。
为了让该材料能大量储存热能，且不难制造，团队使用偶氮苯（azobenzenes）作为聚合物薄膜，并修改偶氮苯的化学特性以增强其能源密度，使偶氮苯能形成平整、均匀的高可穿透薄膜。
团队在实验过程中，将偶氮苯薄膜置于汽车挡风玻璃表面，虽然仍有少部分冰残留，但可有效除去挡风玻璃上大部份的冰。团队表示，德国豪华车制造商 BMW 为该研究的赞助者之一，显示 BMW 十分看好这项技术的潜在应用前景。
研究团队将持续改良该材料的特性，要提高目前为淡黄色的偶氮苯薄膜的透明度。此外，目前偶氮苯薄膜可释放出高于周围温度约摄氏 10 度的热能，虽然作为融冰应用已绰绰有余，但团队的目标，是要让其提升至可释放出高于周围约摄氏 20 度的热能。
中国科学家研究高透明度材料，可吸收太阳能光热除冰等
“刘小孔教授这项研究的实用性意义很大，我再也不用担心冬天汽车挡风玻璃结冰了，关键是这种能吸收和转化太阳能的光热材料是透明的，不影响司机视线，期待这款材料上市。”络绎科学用户的一段感叹，充分表达了他对吉林大学刘小孔教授课题组研究的可吸收太阳能的高透明度光热除冰材料的赞叹。
“科技造福生活”在该项研究中得到了充分体现。在北方的冬天，下雪和结冰是冬季再正常不过的自然现象，然而，冰雪天气给人们的生产、生活带来不便，人们甚至可能因为，冬季雨雪天气后地面光滑，挡风玻璃结冰看不清路而导致交通事故。是否有安全又便捷的办法，能够解决冬季挡风玻璃结冰这一难题呢？
有人说，往挡风玻璃上贴吸热材料，吸收太阳能转化成热能，帮助融化挡风玻璃上的冰。那么问题又来了，现在流行的吸热材料都是黑色非透明材质，贴在挡风玻璃上可以融化结冰不假，但它会完全挡住司机的视线导致无法安全驾驶，这怎么办？
络绎科学 APP 精选了这篇 Advanced Materials 报道过的一项最新的、可吸收太阳能光热除冰材料的研究论文，令人惊喜的是，这是一款高透明度涂层材料，能够完善地解决冬天挡风玻璃结冰的问题。
图 | 相关研究论文 （来源：Advanced Materials ）
论文基本信息
通讯作者：刘小孔，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室任教授
论文标题：
Highly Transparent and Self-Healable Solar Thermal Anti-/De-Icing Surfaces: When Ultrathin MXene Multilayers Marry Solid Slippery Self-Cleaning Coating
领域方向：高分子材料、化学材料与能源材料
来源期刊：Advanced Materials
DOI：10.1002/adma.202108232
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108232
期刊影响因子：30.849
JCR分区：Q1
在冬季，挡风玻璃结冰可谓是一件烦心的、棘手的事。车挡风玻璃结冰会影响视线，飞机机翼结冰会影响飞行安全，太阳能发电板结冰会降低发电效率。
如果能够将太阳能转化为热量，融化表面的冰雪，将会是一个节能、环保、低成本的除冰良方。但是，几乎所有能够将太阳光转化为热量的光热材料均为黑色。因此，制备兼具优异光热性能与高透明度的光热转化涂层材料是一项重大难题。
近日，吉林大学刘小孔教授课题组在 Advanced Materials 报道了一种高透明度的太阳光热除冰涂层，该材料可见光透光率超过 77%，同时兼具自清洁、自修复、大面积制备等优异特性。与此同时，这也是高透明度的太阳光热除冰涂层第一次见诸报道。
图 | MXene-SOPS 涂层的制备及性能示意图（来源：Advanced Materials ）
为了研发该材料，刘小孔教授课题组利用层层组装技术，通过在基底上交替沉积带正电的聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）和带负电的 MXene 纳米片，制备了透明的、具有光热转换性能的超薄 MXene 多层膜。
与此同时，课题组研究人员精心设计并制备了一种具有极低表面能的聚合物，该聚合物可通过无溶剂刮涂法来制备透明的固态超滑自清洁（SOPS）涂层。研究人员将 SOPS 涂层涂覆在 MXene 多层膜上，最终构筑了具有高透明度与自清洁性能的光热转换 MXene-SOPS 涂层。该涂层的可见光透过率高达77% ，并且可在一个太阳光强照射下，将基底表面的温度升高 31 ℃ 。
具体来说，这种涂层由超薄 MXene 多层膜与固态超滑自清洁表面（solid slippery self-cleaning surface）的结合构筑而成。基于层层组装技术制备的超薄 MXene 多层膜兼具高透明度与优异的光热转换性能；固态超滑表面可使没有冻结的水或融化的冰快速滑落而不留痕，实现太阳光照下高效抗冰或除冰的性能。
图 | MXene-SOPS 涂层的光热自修复性能（来源：Advanced Materials ）
换言之，即使在环境温度为 -30 ℃ 的情况下，这种涂层在一个太阳光强照射下，能够将表面温度提高 31 ℃ ，有效阻止水的结冰或将先前形成的冰进行融化。同时，该涂层的固态超滑表面赋予了其极佳的自清洁性能，与超双疏（既超疏水又超疏油）表面类似，能够有效抵抗水性及油性污渍。与超双疏表面相比，又具有透明度高、制备成本低、基底普适性强、机械稳定性好等优势。
以此同时，该涂层具有在光照下实现自修复的性能，可以对抗物理损伤和化学氧化，降低维护成本并且延长使用寿命。这一具有高透明度与自清洁性能的光热除冰涂层有望在汽车挡风玻璃、建筑物玻璃幕墙、风力发电轮、太阳能发电板、飞机涂层等领域得到广泛应用。
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参考：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108232