《AFM》：Janus结构光热抗凝水农膜

为了能在低温条件下提高地温、保持土壤湿度、促进种子发芽和幼苗快速增长以及抑制杂草生长，温室农膜的使用已经十分普及。但是随着全球变暖，一些严重威胁公众健康和作物生长的极端气候，如强冷空气频发。比如拉尼娜现象引发的寒潮的典型例子，不仅会冻伤人，而且会严重延缓农作物的发芽和播种，从而可能给社会经济、资源和环境造成巨大损失。如果采用各种加热器来升高温度则会造成化石燃料或电能的巨大消耗。因此利用太阳能这一种清洁能源是实现寒冷气候条件下农业温室温度调节的有效方法之一。

但是引入太阳能光热系统的温室系统也会出现一些其他技术上的问题。即当暴露在液态水甚至高湿度的环境中时，大多数传统的光热系统由于水的高比热，不可避免地会经历生成温度的急剧下降，从而导致难以实现连续加热。此外，冷凝水滴不仅会损害作物，而且在寒冷天气下还会冻结和破裂膜系统，这极大地限制了传统光热系统的在农业地膜上的应用。

近期，为了实现光热系统对温室的有效热管理，中科院宁波材料所的陈涛研究团队设计了一种由多级蜡烛烟灰和透明聚二甲基硅氧烷组成的超疏水和光热纳米结构Janus结构薄膜膜(文中称为SPCM膜)。这种分层纳米结构的Janus膜可以很容易地适应曲面，并在1个太阳光强度下实现68°C的高效光热能力，以及疏水角为159.7的良好防水性能。

因此，当暴露在高湿度环境中时，它仍然可以保持稳定的温度而不会出现显着的温度下降。此外，不对称结构可以进一步赋予膜散热下降，以实现高性能热管理。该工作以题为“Hierarchically Nanostructured Janus Membranes Toward Sustainable and Efficient Solar-to-Thermal Management”的文章发表于Advanced Functional Materials上。

SPCM膜的结构设计及基本性能

SPCM膜由蜡烛燃烧所产生的炭黑颗粒和PDMS构成，其中蜡烛烟灰首先沉积在玻璃基板上。而PDMS膜则是在水和空气间的界面聚合而成，以保持良好的粘合性和易于转移的特性。在界面上形成的PDMS处于部分交联的状态，然后转移至有炭黑的剥离片上，将蜡烛烟灰和PDMS从空气侧直接接触，随后的完整固化过程，从玻璃基板上剥离后，成功地制备出SPCM膜。通过对表面形貌的研究发现，与纯PDMS相比，交联后SPCM膜可以观察到分层孔隙结构和粗糙度显著提高，这就导致交联后SPCM膜表现出了超疏水的特性。

文章对SPCM膜的热管理能力进行了进一步研究。为了证明不对称结构的优势，通过原位涂覆方法制备了蜡烛烟灰和PDMS膜的均匀复合材料。所获得的复合材料显示出没有分层互锁层的均匀结构，这也导致蜡烛烟灰-PDMS均匀复合材料接触角值显着降低（106°）。太阳强度从0.2个太阳光到1个太阳光复合材料的温度逐渐升高，最大值为≈55 °C。 然而，部分暴露的蜡烛烟灰的SPCM可以达到73°C的平衡温度。尽管原位复合材料也表现出高吸收和发射率的能力， 碳颗粒之间PDMS层可能导致不利的热传输，使得相应的温度降低。

为了进一步研究工作机理，利用 COMSOL 软件对瞬态传热模型进行了理论分析。仿真模型由光热蜡烛烟尘层和透明PDMS层组成，具有导热系数和吸收率的内在因素差异。当阳光照射到模型上时，蜡烛烟灰的底层在1.5 s后温度急剧升高。随着辐照时间的增加，由于PDMS网络内部的热积累，PDMS顶层的温度呈现较高的值。结果，PDMS层和蜡烛烟尘层的平衡温度分别为≈76和72.6°C。基于上述分析，理论模拟与我们的实验结果一致。

SPCM膜的实际应用研究

得益于SPCM良好的超疏水特性，进一步研究了SPCM的光热性能稳定性。利用玻璃， PDMS和SPCM用作密封容器的屋顶，其中加有适当的水来模拟温室环境。当上述三个模型施加阳光时，水凝结前的平衡温度值为分别为36.1°C、38 °C和 69.3°C。随着辐照时间增加3 h，PDMS表面和玻璃屋顶上出现了明显的水滴凝结，但是，SPCM表面没有凝结的水滴。与玻璃和PDMS相比，长时间在1个太阳光下SPCM的温度仍能保持≈68.1°C的稳定值。超疏水和光热特性的有效结合为实现耐用的太阳能光热材料和相关器件提供了替代途径。

研究SPCM膜对中豆芽的室外生长影响，通过对比和定量记录了豆芽的数量的方式突出了SPCM膜的有效性。温度是可以显着促进发芽芽的关键因素之一，实验结果表明，9 d后，空白、PVC、SPCM和PDMS体系的发芽数分别为0、5、8、4，表明启用SPCM体系可有效提高豆芽发芽率。由于8个对照样品中加入100颗种子，只有SPCM组在第9天首先达到6%的发芽率。

并且可以清楚地观察到，PDMS和PVC样品中的杂草比SPCM样品中的杂草更多。这种现象可能源于杂草需要足够的阳光才能进一步生长。综上所述，SPCM在喜荫作物生长和种子萌发中具有适宜和广泛的应用前景。

小结：本文提出了一种具有分层纳米结构的Janus膜，以简单，有效的方式将蜡烛烟灰嵌入部分PDMS弹性体中，从而实现了良好的超疏水和光热性能。此外，以PDMS为外层的透光和热隔离的不对称结构的设计原理，能够以较低的散热实现高效的热利用。基于这些优势，Janus膜可以实现持续加热封闭区域，由于没有液态水可以凝结在膜上，产生的温度可以保持在稳定的值。

该文还尝试使用加热膜来促进豆芽的生长。与商用膜相比，该膜可以显着提高发芽率。因此，超疏水光热膜的不对称结构设计有望成为开发环境稳定热管理器件的新途径，在低碳住宅系统和新一代都市农业中显示出广阔的潜力。

封面来源：图虫创意