Рӯйпӯши биомиметикии супергидрофобии фототермалӣ барои пешгирии яхбандӣ/яхбарорӣ як низоми бисёрфунксионалии сатҳӣ мебошад, ки ноҳамвории микро–наноии аз сатҳҳои биологӣ илҳомгирифтаро бо энергияи пасти сатҳ муттаҳид карда, тамоси об–ҷисми сахтро ба таври ғайрифаъол кам менамояд ва тавассути фазаҳои фототермалӣ энергияи рӯшноиро ба гармӣ табдил дода, яхбарории фаъолро таъмин мекунад. Ин мақолаи баррасавӣ, ки аз ҷониби Zhimin Cao ва Shuilin Wang омода шудааст, физикаи асосии яхбандии сатҳ, сохторҳои биомиметикӣ, маводи фототермалӣ, усулҳои истеҳсол, тавсифи нишондиҳандаҳо, татбиқҳои муҳандисӣ ва мушкилоти васеъкунии саноатиро якҷо арзёбӣ мекунад.

Ғояи асосии тарҳрезии таҳқиқот ба истифодаи ҳамзамони ду механизм такя мекунад. Сохторҳои супергидрофобии микро–нано ҳадаф доранд, ки қатраи об дар ҳолати Cassie–Baxter рӯи сатҳ боқӣ монад ва ба шарофати майдони воқеии хурди тамос ва гистерезиси ками кунҷи тамос аз сатҳ дур шавад. Фазаи фототермалӣ бошад, нурҳои офтоб ё шуоъдиҳии оптикии мувофиқро ба гармӣ табдил дода, ҳарорати сатҳро баланд мекунад ва обшавии яхи ташаккулёфта ё фурӯнишонии термии ядрошавии яхро дастгирӣ менамояд.

Барраси ҷузъҳои фототермалӣ, аз ҷумла CNT, graphene/rGO, carbon black, нанозарраҳои металлӣ, сохторҳои асосёфта ба MXene, нимноқилҳо ва полимерҳои ноқилро бо манбаъҳои биологии тарҳрезӣ, аз ҷумла lotus leaf, butterfly wing, Namib Desert beetle, sea urchin ва spider silk якҷо арзёбӣ мекунад. Аммо азбаски дар нашрияҳои гуногун ҳарорат, намии нисбӣ, ҳаҷми қатра, ғафсии ях, шиддати рӯшноӣ ва усулҳои санҷиши адгезия фарқ мекунанд, нишондиҳандаҳои гузоришшуда наметавонанд ҳамчун рейтинги универсалии мавод истифода шаванд.

Хулосаи асосии муҳандисии таҳқиқот ин аст, ки барои гузариши ин сатҳҳои дорои нишондиҳандаҳои баланди лабораторӣ ба истифодаи воқеӣ бояд монеаҳое чун вобастагӣ ба нури офтоб, фарсудашавии сохторҳои микро/нано, номувофиқии васеъшавии ҳароратии рӯйпӯш–субстрат, арзиши баланди мавод ва истеҳсол, хатарҳои эҳтимолии экологии нанозарраҳо ва набудани стандартҳои ягонаи тавсифи ях ҳал карда шаванд.

Рӯйпӯши Биомиметикии Фототермалии Супергидрофобӣ Чӣ Гуна Яхбандиро Пешгирӣ ва Яхро Бартараф Мекунад?

Рӯйпӯш ду вазифаи пурракунандаро истифода мебарад: сохтори супергидрофобии микро–нано тамоси воқеии оби моеъро бо сатҳ ва нигоҳдории онро кам карда, таъхири ғайрифаъоли яхбандиро таъмин мекунад; ҷузъҳои фототермалӣ бошанд, нури воридшавандаро ба гармӣ табдил дода, ҳарорати сатҳро баланд мекунанд ва яхбарории фаъолро дастгирӣ менамоянд. Аз ин рӯ, низом танҳо сатҳи обгурез ё танҳо гармкунаки офтобӣ нест.

Ду марҳилаи асосии яхбандии сатҳ

Гузариши об ба ях аввал бо ташаккули ядрои устувор ва сипас бо афзоиши кристалл идома меёбад. Дар назарияи классикии ядрошавӣ тағйироти умумии энергияи озоди Gibbs-и эмбриони курашакли ях бо радиуси \(r\) дар манбаъ чунин дода шудааст:

\[ \Delta G = -\frac{4}{3}\pi r^3 \Delta g_v + 4\pi r^2\gamma_{sl} \tag{1} \]

Дар ин ҷо \(\Delta g_v\) фарқи энергияи озод ба воҳиди ҳаҷм байни фазаҳои моеъ ва сахтро, ва \(\gamma_{sl}\) энергияи интерфейси ях–обро ифода мекунад.

Ҳади якуми муодила саҳми ҳаҷмиро ифода мекунад, ки бо калон шудани ҳаҷми эмбрион гузариши фазаро аз ҷиҳати термодинамикӣ мусоидат мекунад, дар ҳоле ки ҳади дуюм арзиши энергетикии ташаккули интерфейси нави ях–обро нишон медиҳад. Дар эмбрионҳои хурд арзиши интерфейс метавонад бартарӣ дошта бошад; пас аз гузаштан аз андозаи критикӣ саҳми ҳаҷмӣ афзоиши ядроиро дастгирӣ мекунад.

Манбаъ радиуси критикиро дар муодилаи (2) бо рамзи зерин медиҳад:

\[ \gamma^{*} = \frac{2\gamma_{sl}}{\Delta g_v} \tag{2} \]

ва монеаи максималии ядрошавиро:

\[ \Delta G^{*} = \frac{16\pi\gamma_{sl}^{3}} {3(\Delta g_v)^2} \tag{3} \]

нишон медиҳад. Дар ин ҷо мушкили муҳими нотационии дохили манбаъ вуҷуд дорад: ҳамон банди матн бузургии критикиро ҳамчун “critical radius” таъриф мекунад, аммо дар ифодаи минбаъдаи ядрошавии гетерогенӣ рамзи \(r^{*}\)-ро истифода мебарад. Аз ин рӯ, аломати \(\gamma^{*}\) дар муодилаи (2) аз ҷониби Verianla хомӯшона ислоҳ нашудааст.

Чаро ядрошавии гетерогенӣ муҳим аст?

Дар сатҳҳои воқеии муҳандисӣ яхбандӣ бештар на тавассути ядрошавии гомогенӣ дар оби комилан пок, балки тавассути ядрошавии гетерогенӣ ба амал меояд, ки дар он интерфейсҳои бегона, аз қабили сатҳ, зарра ё нуқсон, монеаи энергетикиро паст мекунанд.

Манбаъ инро:

\[ \Delta G^{*}_{het} = \Delta G^{*} f(\theta,R/r^{*}), \qquad 0<f<1 \]

ифода мекунад. Омили геометрии \(f\) таъсири хусусиятҳо, аз қабили кунҷи тамос ва каҷии сатҳро ба монеаи ядрошавӣ нишон медиҳад.

Муодилаи Young

Барои кунҷи мувозинатии тамос дар сатҳи сахти ҳамвор ва аз ҷиҳати химиявӣ якхела манбаъ муносибати Young-ро истифода мебарад:

\[ \cos\theta = \frac{\gamma_{SV}-\gamma_{SL}} {\gamma_{LV}} \tag{4} \]

\(\gamma_{SV}\) энергияи озоди интерфейси сахт–буғ, \(\gamma_{SL}\) сахт–моеъ ва \(\gamma_{LV}\) моеъ–буғ мебошанд. Энергияи пасти сатҳи сахт одатан кунҷи калонтари тамоси обро дастгирӣ мекунад.

Ҳолати Wenzel

Вақте ки об ҳамаи холигиҳои сохтори ноҳамворро пур мекунад, модели Wenzel истифода мешавад:

\[ \cos\theta_W = r\cos\theta \tag{5} \]

Дар ин ҷо \(r\) омили ноҳамворӣ мебошад, ки нисбати масоҳати воқеии сатҳ ба масоҳати проексияшударо нишон медиҳад. Дар ҳолати Wenzel моеъ бо ноҳамворӣ пурра тамос мегирад, бинобар ин масоҳати воқеии тамоси сахт–моеъ меафзояд.

Чаро Ҳолати Cassie–Baxter барои Муқовимат ба Яхбандӣ Муҳим Аст?

Дар ҳолати Cassie–Baxter қатра танҳо ба қисмҳои болоии ноҳамвориҳои микро–нано мерасад ва дар зери он кисаҳои ҳаво мемонанд; бо ин роҳ масоҳати воқеии тамоси сахт–моеъ, интиқоли гармӣ ва часпиш ба сатҳ кам шуда метавонанд. Вақте ки конденсатсия ё фишор моеъро ба холигиҳо ворид мекунад, гузариш ба ҳолати Wenzel ба амал омада метавонад ва муқовимат ба яхбандӣ ҷиддан паст мешавад.

Манбаъ кунҷи тамоси Cassie–Baxter-ро:

\[ \cos\theta_{C-B} = f(\cos\theta)-(1-f) \tag{6} \]

ифода мекунад. \(f\) ҳиссаи сатҳи сахтест, ки воқеан бо моеъ дар тамос мебошад.

Сабаби он ки танҳо кунҷи тамос кофӣ нест, муҳим будани ҳаракатпазирии қатра низ мебошад. Манбаъ гистерезиси кунҷи тамосро:

\[ \Delta\theta = \theta_{adv}-\theta_{rec} \]

таъриф мекунад. Гистерезиси хурд ба қатра имкон медиҳад, ки осонтар лағжида ё ғел зада аз сатҳ дур шавад.

Принсипи lotus leaf

Папиллаҳои тақрибан микрометрӣ дар lotus leaf ва кристаллҳои муми нанометрӣ дар болои онҳо ноҳамвории бисёрзинагӣ ба вуҷуд меоранд. Чунин тартибҳои топографӣ дар тарҳҳои биомиметикии anti-icing ҳамчун намуна барои нигоҳ доштани қабати ҳавоии Cassie–Baxter истифода мешаванд.

Бо вуҷуди ин, манбаъ таъкид мекунад, ки топографияҳои софи lotus-монанд дар муҳити намноки баланд ва зери сифр метавонанд бо конденсатсия вайрон шаванд. Бо ворид шудани об ба холигиҳои микро/нано гузариши Wenzel ба амал меояд ва бартарии муҳандисии кунҷи баланди ибтидоии тамос метавонад аз даст равад.

Butterfly wing

Қаторҳои иерархии фотоникии шабеҳи butterfly wing метавонанд ҳам барои обгурезӣ ва ҳам барои гирифтани рӯшноӣ истифода шаванд. Дар баъзе низомҳои таҷрибавӣ махсусан дар шароити рӯшноии паст бартарӣ гузориш шудааст; аммо қаторҳои нозук метавонанд дар зери давраҳои такрории яхкунӣ–обшавӣ ва фарсудашавӣ аз ҷиҳати сохторӣ ҳассос бошанд.

Namib Desert beetle

Тарҳҳои илҳомгирифта аз Namib Desert beetle ба ҷои пурра обгурез будан, байни барҷастагиҳои гидрофилӣ ва минтақаҳои гидрофобӣ градиенти идорашавандаи таршавиро ба вуҷуд меоранд. Бо ин роҳ ҳадаф равона кардани қатраҳои хурди конденсатшуда бидуни ҷамъшавӣ дар минтақаҳои критикӣ мебошад.

Sea urchin ва сохторҳои reentrant

Геометрияҳои reentrant ва microneedle, ки аз хорҳои sea urchin илҳом гирифта шудаанд, ҳангоми ҷудокунии ях тақсим кардани бори механикӣ, тағйир додани консентратсияи шиддат дар интерфейс ва кам кардани фарсудашавии мустақими сохторҳои нозуки микро/наноиро ҳадаф мегиранд.

Шабакаҳои фибриллии монанд ба spider silk

Шабакаи иерархии фибриллии spider silk мустақиман сатҳи anti-icing нест; он ҳамчун намунаи тарҳи биомиметикӣ барои баланд бардоштани мустаҳкамии механикии рӯйпӯш ва кам кардани номувофиқии шиддат байни фазаҳои фототермалии ғайриорганикӣ ва матритсаи органикӣ баррасӣ мешавад.

Чаро Як Сатҳи Биомиметикӣ дар Ҳама Шароити Яхбандӣ Беҳтарин Нест?

Зеро рафтори яхбандӣ танҳо аз кунҷи тамос вобаста нест; бо тағйир ёфтани ҳарорат, намии нисбӣ, шиддат ва кунҷи афтодани рӯшноӣ, конденсатсия, зарбаи қатра, фарсудашавии сатҳ, ғафсии ях ва борҳои механикии ҷудокунӣ ҳамон сохтори микро/нано метавонад нишондиҳандаҳои гуногун диҳад. Аз ин рӯ, барраси интихоби тарҳи махсуси татбиқро ҷонибдорӣ мекунад.

Нақши табдили фототермалӣ

Вазифаи сатҳи софи супергидрофобӣ асосан дур кардани об аз сатҳ ва таъхир додани ядрошавии ях мебошад. Агар сатҳ аллакай бо ях пӯшида бошад, танҳо супергидрофобӣ кофӣ набошад.

Пуркунандаи фототермалӣ фотонҳои воридшударо ҷаббида, энергияро ба гармӣ табдил медиҳад. Баландшавии маҳаллии ҳарорат интерфейси ях–рӯйпӯшро гарм карда, метавонад яхи қаблан ташаккулёфтаро об кунад ё бо ба вуҷуд овардани қабати тунуки моеъ дар интерфейс дур кардани яхро осон намояд.

Адгезияи ях ва механикаи интерфейс

Ҷудокунии яхро танҳо бо саволи “сатҳ то чӣ андоза лағжанда аст?” шарҳ додан мумкин нест. Манбаъ муносибати эмпирикиеро, ки нақши хусусиятҳои механикии субстратро дар адгезияи ях нишон медиҳад, чунин меорад:

\[ \tau_{ice} \propto \alpha_h \sqrt{\frac{W_{adh}E}{t}} \]

Дар ин ҷо \(W_{adh}\) кори адгезия, \(E\) модули чандирии субстрат ва \(t\) ғафсии субстрат мебошад.

Дар минтақаҳои бузурги ях пешрафти тарқиш метавонад муайянкунандатар гардад. Манбаъ механикаи шикасти интерфейсро:

\[ \widetilde{F}_{ice} = \sqrt{2E_{ice}\Gamma h} \tag{7} \]

нишон медиҳад. \(\Gamma\) устувории интерфейс, \(E_{ice}\) модули чандирии ях ва \(h\) ғафсии яхро ифода мекунанд. Ин муносибат нишон медиҳад, ки ҳангоми дур кардани қабатҳои хеле калон на танҳо устувории пасти буриш, балки устувории пасти интерфейс низ муҳим буда метавонад.

Нанонайчаҳои карбон

Нанонайчаҳои карбонии бисёрдевора метавонанд ба шарофати ҷабби васеи спектри рӯшноӣ ва релаксатсияи босуръати non-radiative ҳамчун фазаи фототермалӣ истифода шаванд. Паҳншавии мувофиқ дар дохили полимер муҳим аст; агломератсия метавонад якхелагии рӯйпӯшҳои масоҳати калон ва сохтори микро/наноиро вайрон кунад.

Graphene ва reduced graphene oxide

Манбаъ тадқиқотҳоеро меорад, ки дар низомҳои оптимизатсияшудаи rGO дар зери як-офтоб нурдиҳӣ зиёда аз %90 табдили фототермалӣ ва ҷабби хеле баланди UV–NIR гузориш кардаанд. Аммо таъкид мешавад, ки нишондиҳанда ба қабатбандӣ ва таносуби боркунӣ ҳассос аст ва агломератсияи идоранашуда метавонад онро паст кунад.

Carbon black

Бартарии асосии carbon black арзиши паст ва имкони васеъкунии калон мебошад. Манбаъ баҳс мекунад, ки ҳарчанд нишондиҳандаи фототермалии низомҳои carbon black аз rGO ва баъзе наноструктураҳо пасттар аст, онҳо метавонанд дар инфрасохтори энергетикии масоҳати калон аз ҷиҳати иқтисодӣ бартарӣ дошта бошанд.

Нанозарраҳои металлии плазмонӣ

Тилло, нуқра ва нанозарраҳои монанд метавонанд тавассути localized surface plasmon resonance (LSPR) дар дарозии мавҷи муайян ҷабби қавии маҳаллии рӯшноӣ ва ҳосилшавии гармиро таъмин кунанд.

Маҳдудиятҳои асосӣ арзиши баланд, агрегация, оксидшавӣ ва бехатарии экологии нанозарра/ион ҳангоми истифодаи дарозмуддат дар муҳити берунӣ мебошанд.

Низомҳои асосёфта ба MXene

Оилаи MXene бо сабаби ҷабби васеи спектри оптикӣ ва посухи баланди фототермалӣ дар барраси ҳамчун синфи муҳими маводи дученака баррасӣ мешавад. Дар равишҳои LbL ва рӯйпӯши композитӣ кунҷи баланди тамос ва гармшавии босуръати сатҳ гузориш шудааст.

Аммо оксидшавӣ, арзиш, мувофиқати рӯйпӯш–матритса ва муҳлати дарози хизмат масъалаҳое мебошанд, ки барои татбиқи воқеӣ бояд ҳал шаванд.

Полимерҳои ноқил ва низомҳои тағйири фаза

Полимерҳои ноқил, ба монанди Polypyrrole ва polyaniline, метавонанд посухи фототермалиро бо чандирӣ муттаҳид кунанд. Маводи тағйирёбандаи фаза бошад, барои нигоҳ доштани қисми гармии офтоби ҷаббидашуда дар рӯз ҳамчун latent heat ва баргардондани он дар шароити рӯшноии паст истифода мешавад.

Чаро Рӯйпӯшҳои Фототермалӣ Шабона ё Дар Ҳавои Абрнок Заиф Мешаванд?

Манбаи гармии фаъоли сатҳи фототермалӣ энергияи оптикии воридшаванда аст; ҳангоми набудани шуоъдиҳии кофӣ ҳатто маводе, ки самаранокии баланди табдили фототермалӣ дорад, метавонад ҳарорати зарурии сатҳро эҷод карда натавонад. Аз ин рӯ, барраси тарҳҳои бисёррежимеро, ки низоми фототермалиро бо гармкунии электротермалӣ, нигоҳдории гармии тағйири фаза ё дигар манбаъҳои ёрирасони энергия муттаҳид мекунанд, ҳамчун самти оянда таъкид мекунад.

Нигоҳдории гармии тағйири фаза

Phase change materials (PCM)-и шабеҳи парафин метавонанд ҳангоми офтоби кофӣ тавассути тағйири фаза гармиро нигоҳ доранд ва ҳангоми кам шудани рӯшноӣ latent heat-ро баргардонанд. Ин механизм ҳадаф дорад вобастагии низоми фототермалиро танҳо аз нури офтоби ҳамон лаҳза кам кунад.

Ҳамкории фототермалӣ–электротермалӣ

Фазаҳои карбонӣ ё металлии ноқили барқ метавонанд дар шароити кам будани рӯшноӣ тавассути Joule heating энергияи ёрирасон диҳанд. Дар чунин низом ҳангоми офтоби кофӣ режими фототермалӣ ва ҳангоми кам будани рӯшноӣ режими электротермалӣ истифода шуда метавонад.

Ин гуна низомҳо аз энергия мустақил нестанд; онҳо танҳо манбаи энергия ва режими корро вобаста ба шароити муҳит иваз мекунанд.

Посухи зеҳнӣ ва мавсимӣ

Манбаъ тарҳҳои thermochromic ва temperature-responsive-ро низ баррасӣ мекунад, ки дар зимистон ҷабби баланди офтобиро таъмин карда, дар мавсими гарм барои кам кардани аз ҳад гармшавӣ хусусиятҳои оптикии худро тағйир медиҳанд.

Худбарқароршавӣ

Ҳангоми вайрон шудани сохтори микро/нано аз фарсудашавии механикӣ кунҷи баланди тамос ва адгезияи пасти ях аз даст рафта метавонад. Манбаъ маводи дорои хотираи шакл, пайвандҳои динамикӣ ё қобилияти аз нав ташкил шудан бо гармии фототермалиро ҳамчун самти муҳими ояндаи таҳқиқот барои қисман барқарор кардани сатҳи осебдида арзёбӣ мекунад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Сохтори ҷамъоварии маълумоти барраси

Мақола Review мебошад. Маҷмӯи додаҳои библиометрии Figure 1 тавассути Web of Science Core Collection барои давраи 2009–2026 омода шудааст. Мақолаҳо ва баррасиҳои англисии peer-reviewed истифода шуда, сабтҳои такрорӣ хориҷ карда шудаанд; screening-и title/abstract анҷом дода шуда ва рӯйхатҳои истинодии баррасиҳои муҳим дастӣ санҷида шудаанд.

Бо вуҷуди ин, мақола ҷараёни пурраи сабтҳои навъи PRISMA, тақсимоти алоҳидаи пойгоҳи додаҳо, баҳодиҳии мустақили сифат ё тартиби meta-analysis-ро пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, арзишҳои миқдорие, ки аз манбаъҳои гуногун ҷамъ оварда шудаанд, баҳодиҳии якҷояи таъсири мета-аналитикӣ нестанд.

Чаҳорчӯбаи сеандозаи арзёбӣ

Усулҳои истеҳсол

Таъхири ядрошавии ях

Санҷиши таъхири ядрошавии ях вақти аз гузоштани қатра ба сатҳ дар ҳарорати пасти муайяншуда то оғози яхкунии намоёнро чен мекунад.

Дар барраси арзишҳои хеле гуногун мавҷуданд. Масалан, барои як низом дар −15 °C 1056 s ва барои низоми дигари микро/наноии ҳосилшуда аз MOF дар −18 °C тақрибан 3960 s гузориш шудааст. Ин арзишҳо ба лабораторияҳо ва сатҳҳои гуногун тааллуқ доранд; онҳоро набояд мустақиман дар як ҷадвали рейтинг ҳамчун “беҳтар/бадтар” тафсир кард.

Устувории адгезияи ях

Устувории адгезияи ях шиддати механикии заруриро барои ҷудо кардани қабати ях аз рӯйпӯш ифода мекунад. Дар барраси <20 kPa ҳамчун ҳадди амалии маъмул барои адгезияи пасти ях баррасӣ мешавад.

Дар байни мисолҳои манбаъ арзишҳои хеле паст, аз ҷумла 5,82 kPa дар −20 °C барои низоми MWCNT–silicone oil self-lubricating ва 0,46 kPa барои сатҳи mushroom-shaped reentrant мавҷуданд.

Аммо азбаски ин арзишҳо аз геометрияҳо, усулҳои тавлиди ях ва протоколҳои гуногуни санҷиш гирифта шудаанд, онҳоро ҳамчун рақобати мавод дар шароити яксон тафсир кардан мумкин нест.

Протоколи Стандартсозии Адгезияи Ях, ки Муаллифон Пешниҳод Кардаанд, Чист?

Барраси пешниҳод мекунад, ки намунаҳо дар −15 °C ва %60 намии нисбӣ 30 дақиқа пешакӣ шартбандӣ шаванд; бо 10 µL оби деионидашуда майдони тамоси 1 cm² ва ғафсии яхи 5 mm ташкил карда шавад; дар −15 °C 60 дақиқа ях кунонда шавад; ҳамчун ченаки асосӣ centrifugal shear, ҳамчун тасдиқи ёрирасон кашиши амудӣ ва дар арзёбии фототермалӣ як-офтоб xenon нурдиҳӣ истифода шавад. Ин протоколи пешниҳодкардаи муаллифон аст; стандарти расмии байналмилалӣ нест.

Андозагирии хусусиятҳои фототермалӣ

Манбаъ як-офтоб нурдиҳии стандартиро ҳамчун 100 mW/cm² истифода мебарад ва тағйироти ҳарорати сатҳро бо вақт ҳамчун яке аз нишондиҳандаҳои асосии кори фототермалӣ арзёбӣ мекунад.

Ҷабби спектралӣ бо ченаки UV–Vis–NIR дар ҳудуди тақрибан 300–2500 nm спектри офтобӣ омӯхта мешавад. Сатҳҳои дорои ҷабби хеле баланд метавонанд фотонҳои бештарро гиранд; аммо ҷабби баланд танҳо ба нишондиҳандаи баланди anti-icing кафолат намедиҳад. Талафи гармӣ, ноқилияти интерфейс ва устувории сохтор низ муҳиманд.

Арзёбии устуворӣ

Барраси пиршавии UV, ҳарорати баланд/намии баланд, пошидани намак, абразияи қоғази суфтакунӣ, пӯсткунии лента, эрозияи қатра ва озмоишҳои такрории freeze–thaw-ро якҷо арзёбӣ мекунад.

Аз таҳқиқоти манбаъ гузориш мешавад, ки сатҳи композитии шабеҳи зиреҳи sea urchin пас аз 800 даври суфтакунӣ ва 100 tape-stripping обгурезиро нигоҳ доштааст; сохтори дигари honeycomb/microspine пас аз 200 даври абразияи хаттии теғи пӯлод фаъолияти худро идома додааст.

Ин гуна озмоишҳои суръатнок ба муҳлати воқеии хизмат дар майдон яксон нестанд; онҳо нишондиҳандаҳои устувории лабораторӣ мебошанд.

Мутобиқати муҳити зист

Манбаъ таъкид мекунад, ки барои татбиқҳои баландкӯҳ ва қутбӣ ҳароратҳои паст то −40 °C, UV-и шадид, пошидани намак ва намии нисбии баланд бояд алоҳида санҷида шаванд.

Намии баланд махсусан яке аз заъфҳои муҳими низомҳои супергидрофобӣ мебошад, зеро метавонад кисаҳои ҳавоии Cassie-ро бо конденсат пур карда, ба гузариш ба ҳолати Wenzel оварда расонад.

Авиация

Ях дар болҳои ҳавопаймо, вурудгоҳҳои ҳаво ва сенсорҳои ҳассос метавонад профили аэродинамикиро тағйир диҳад. Сатҳҳои супергидрофобии фототермалӣ бо сабаби вазни иловагии кам ва имкони кам кардани талаботи энергияи беруна махсусан барои ҳавопаймоҳои хурд ва UAV омӯхта мешаванд.

Аммо рӯшноии паст ҳангоми парвоз, эрозияи қум/зарра дар суръати баланд ва талаботи сертификатсия маънои онро надоранд, ки натиҷаи лабораторӣ мустақиман қобилияти парвозро исбот мекунад.

Энергияи бод

Яхбандӣ дар парраҳои турбинаи бодӣ метавонад шакли аэродинамикиро вайрон ва истеҳсолро кам кунад. Рӯйпӯшҳои фототермалӣ имкони гармкунии фаъоли сатҳро дар нури офтоб доранд.

Манбаъ гузориш медиҳад, ки дар шароити шадид талафи қувва аз сабаби яхбандӣ метавонад ба %80 расад. Ин арзиш ба шароити муайяни адабиёт тааллуқ дорад ва барои ҳамаи нерӯгоҳҳои бодӣ фоизи доимии талаф нест.

Инфрасохтори алоқа ва интиқоли энергия

Яхбандӣ дар антеннаҳо, radome-ҳо ва хатҳои интиқоли барқ метавонад ба интиқоли сигнал, ҳаракати аэродинамикӣ ва борҳои механикӣ таъсир расонад. Рӯйпӯшҳои Superhydrophobic/slippery ва фототермалӣ барои кам кардани ҷамъшавии об ва адгезияи ях арзёбӣ мешаванд.

Мутобиқати мавод–субстрат

Вақте ки рӯйпӯш дар зери офтоб зуд гарм шуда ва дар муҳити сард зуд хунук мешавад, коэффисиентҳои васеъшавии ҳароратии пуркунандаи фототермалии ғайриорганикӣ ва субстрати полимерӣ, алюминийӣ ё композитӣ метавонанд фарқ кунанд.

Ин номувофиқӣ метавонад ба шиддати даврии интерфейс, тарқиш, blister ва delamination оварда расонад. Gradient transition layers, flexible buffer layers ва пайвандҳои химиявии мустаҳкамшудаи интерфейс синфҳои ҳалли пешниҳодшуда дар манбаъ мебошанд.

Бехатарии экологӣ

Хусусан дар сатҳҳои дорои нанозарраҳои металлӣ бояд ихроҷи filler пас аз UV, намак, намӣ ва фарсудашавии механикии дарозмуддат арзёбӣ шавад. Манбаъ фазаҳои фототермалии biomass-derived lignin/cellulose ва капсулкунии inert core–shell-ро аз самтҳои нисбатан сабзи таҳқиқот мешуморад.

Миқёспазирии иқтисодӣ

Оё Муқоисаи Панҷсолаи Арзиш дар Барраси Далели Иқтисодии Майдонӣ Аст?

Не. Арзишҳои панҷсолаи хароҷот дар барраси озмоиши нави саҳроии нерӯгоҳи бодӣ ё таҳқиқоти хариди воқеӣ нестанд; онҳо модели дуюмдараҷаи иқтисодӣ мебошанд, ки дар он маълумоти хароҷот аз нашрияҳои гуногун дар сенарияи нерӯгоҳи бодии сард муттаҳид шудаанд. Аз ин рӯ, ҳангоми интихоби технология бояд бо энергияи маҳаллӣ, меҳнат, нигоҳдорӣ, муҳлати рӯйпӯш ва басомади рӯйпӯшкунии такрорӣ аз нав ҳисоб карда шаванд.

Сатҳҳои зеҳнии ҷавобдиҳанда

Барраси низомҳои дорои полимерҳои temperature-responsive, қабатҳои thermochromic ва phase change materials-ро ҳамчун тарҳҳои насли баъдӣ аз рӯйпӯшҳои оддии фототермалие баррасӣ мекунад, ки танҳо ба нури фаврии офтоб вобастаанд.

PCM-ҳо барои баргардондани гармии рӯзона захирашуда дар шаб ё давраи абрнок; сатҳҳои thermochromic бошад, барои нишон додани рафтори гуногуни оптикӣ дар зимистон ва тобистон пешбинӣ шудаанд.

Низомҳои бисёррежимӣ

Сохторҳои фототермалӣ–электротермалӣ, фототермалӣ–lubricating ва фототермалӣ–PCM ҳадаф доранд, ки ҳангоми кор накардани як механизм роҳи дуюми муҳофизат аз яхро таъмин кунанд.

Бартарии ин низомҳо метавонад бо нархи меъмории мураккабтари қабатҳо, идоракунии барқӣ, ноқилияти ҳароратии гуногун, талафи lubricant ва истеҳсоли душвортар ба даст ояд.

Тарҳрезии ҳисоббарорӣ

Molecular dynamics (MD), machine learning (ML) ва multiscale coupled modeling ҳамчун абзорҳое баррасӣ мешаванд, ки метавонанд муносибатҳои байни параметрҳои микро-сохтор ва рафтори яхбандиро пеш аз таҷриба таҳқиқ кунанд.

MD метавонад таъсири мутақобилаи об–сатҳ ва ядрошавиро дар миқёси атомӣ омӯзад; ML метавонад байни параметрҳои геометрӣ/маводӣ ва адгезияи ях ё таъхири ядрошавӣ муносибати дода-асос созад; равиши multiscale бошад, ҳадаф дорад параметрҳои атомиро ба моделҳои макроскопии интиқоли гармӣ ва fracture пайваст кунад.

Манбаъ маҳдудиятҳои муҳими ин абзорҳоро низ қайд мекунад: дақиқии force-field, додаҳои омӯзишии ғайристандартӣ, мушкили тафсирпазирии black-box ва интиқоли боэътимоди параметрҳо байни моделҳои атомӣ/макроскопӣ.

Номувофиқии фарогирии дохили манбаъ

Дар қисми охири Table 3-и барраси ду сатр оид ба динамикаи молекулавии асфалт ва омӯзиши spiking/pulse neural networks ҷой доранд. Азбаски ин сатрҳо бо чаҳорчӯбаи биомиметикии фототермалии anti-icing мустақиман алоқаманд нестанд, онҳо дар синтези илмии Verianla ҳамчун натиҷаи anti-icing ё пешниҳоди таҳқиқоти оянда истифода нашудаанд.

Ба ҳамин монанд, манбаъ худаш нишон медиҳад, ки Figure 3 аслан низоми noble-metal/semiconductor-ро барои таназзули фотокаталитикии ифлоскунандаҳои органикӣ нишон медиҳад ва танҳо принсипи гирифтани рӯшноӣ/табдили энергия метавонад ба тарҳи маводи anti-icing интиқол дода шавад. Ин тасвир далели мустақими нишондиҳандаи anti-icing нест.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

Ҳангоми якҷо истифода шудани Superhydrophobic micro–nano topographies ва photothermal media мумкин аст дуркунии ғайрифаъоли об ва гармкунии фаъоли рӯшноӣ дар як сатҳ муттаҳид шаванд.

Низомҳои зиёди маводӣ мавҷуданд, ки дар онҳо нишондиҳандаҳои хеле баланди лабораторӣ барои таъхири ядрошавии ях, адгезияи ях ва ҳарорати сатҳи фототермалӣ гузориш шудаанд.

Интихоби мавод наметавонад танҳо бар асоси метрикаи максималии лабораторӣ анҷом дода шавад; устувории механикӣ, намӣ, дастрасии рӯшноӣ, арзиш, миқёспазирӣ ва устувории экологӣ низ тағйирёбандаҳои қарор мебошанд.

Стандарт нашудани шароити санҷиш байни лабораторияҳо муқоисаи уфуқии боэътимоди арзишҳои адгезияи ях ва таъхири ядрошавӣ дар нашрияҳои гуногунро душвор мекунад.

Барои истеҳсоли масоҳати калон ва арзони spray ва roll-to-roll метавонанд нисбат ба усулҳои дақиқ, вале гарони laser/CVD бартарии муҳандисии дигар пешниҳод кунанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

Ягон маводи ягонаи фототермалӣ ё геометрияи биомиметикӣ, ки дар ҳама муҳитҳо универсалӣ беҳтарин бошад, муайян нашудааст.

Кунҷи баланди тамос ё адгезияи пасти ях дар лаборатория худ ба худ муҳлати дарози хизматро дар ҳавопаймо ё турбинаи бодӣ исбот намекунад.

Solar absorptance-и баланд худ ба худ маънои нишондиҳандаи баланди deicing дар ҷаҳони воқеиро надорад.

Протоколи стандартсозии −15 °C, ки манбаъ пешниҳод кардааст, стандарти расмии байналмилалӣ нест.

Ҷадвали панҷсолаи хароҷот таҳқиқоти воқеии саҳроии TCO нест.

Замонбандии 5–10-солаи татбиқи озмоишии муаллифон тақвими тасдиқшуда нест, балки арзёбии ояндабин мебошад.

Ҳанӯз нишон дода нашудааст, ки моделҳои machine learning ё MD муҳлати воқеии рӯйпӯши саноатиро боэътимод пешгӯӣ мекунанд.

Самтҳои ояндаи таҳқиқот

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Унвони аслӣ: Research Progress on Bioinspired Superhydrophobic Photothermal Anti-/Deicing Coatings.

Муаллифон: Zhimin Cao; Shuilin Wang.

Corresponding authors: Zhimin Cao; Shuilin Wang.

Муассиса: School of Intelligent Manufacturing and Smart Transportation, Suzhou City University, Suzhou 215104, China.

Маҷалла: Biomimetics.

Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.

Маълумоти нашр: Biomimetics 2026, 11(9), 617.

DOI: 10.3390/biomimetics11090617.

Таърихи мақола: Гирифта шуд 28 Июн 2026; таҷдид шуд 12 Август 2026; қабул шуд 15 Август 2026; нашр шуд 1 Сентябр 2026.

Навъи манбаъ: Review.

Литсензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Мавзӯи асосӣ: Сатҳҳои биомиметикии супергидрофобии фототермалии anti-icing/deicing.

Физикаи асосӣ: Classical nucleation theory; Young, Wenzel ва Cassie–Baxter wetting models; ice–substrate fracture/interface mechanics.

Синфҳои асосии мавод: Carbon nanotubes, graphene/rGO, carbon black, noble-metal nanoparticles, MXene-based systems, semiconductor photothermal phases, conductive polymers ва phase-change-containing composites.

Прототипҳои биомиметикӣ: Lotus leaf, butterfly wing, Namib Desert beetle, sea urchin, spider silk ва дигар сатҳҳои табиии иерархӣ.

Усулҳои асосии истеҳсол: Spray coating, templating, etching, layer-by-layer assembly, self-assembly, 3D printing, laser direct writing, chemical vapor deposition ва electrochemical deposition.

Метрикаҳои нишондиҳанда: Ice nucleation delay, ice adhesion strength, contact angle, sliding/contact-angle hysteresis, spectral absorptance, photothermal temperature response, cyclic durability ва accelerated environmental aging.

Маълумоти библиометрӣ: Барои Figure 1 Web of Science Core Collection; 2009–2026; мақолаҳо ва review-ҳои англисии peer-reviewed; duplicate removal, title/abstract screening ва backward reference checking.

Маҳдудияти усули Review: Ҷараёни PRISMA, шумораҳои пурраи дохил/хориҷ, meta-analysis ва formal risk-of-bias assessment гузориш нашудааст. Арзишҳои миқдории байни таҳқиқот дар барраси аз шароити гетерогении санҷиш ба даст омадаанд.

Стандартсозии пешниҳодшудаи санҷиш: −15 °C; %60 RH; 30 дақиқа pre-cooling; 10 µL оби деионидашуда; 1 cm² майдони тамос; 5 mm ғафсии ях; 60 дақиқа freezing; centrifugal shear санҷиши асосӣ; tensile peel cross-check; як-офтоб xenon module. Ин пешниҳоди муаллифон аст, стандарти расмӣ нест.

Арзёбии иқтисодӣ: Таҳлили сенариявӣ, ки аз маълумоти нашршудаи хароҷоти дуюмдараҷа сохта шудааст; озмоиши мустақими иқтисодии саҳроӣ нест.

Маҳдудиятҳои асосии муҳандисӣ: Solar irradiance dependency; mechanical degradation; Cassie–Wenzel transition under condensation; thermal expansion mismatch; nanoparticle stability/environmental risk; manufacturing cost; large-area scalability; absence of unified testing standards.

Мушкили нотационии дохили манбаъ: Дар бахши Classical nucleation theory радиуси критикӣ дар муодилаи (2) бо \(\gamma^{*}\) нишон дода мешавад, аммо дар идомаи ҳамон шарҳ \(r^{*}\) истифода мешавад. Verianla ин зиддиятро хомӯшона ислоҳ накардааст.

Мушкили фарогирии дохили манбаъ: Дар қисми охири Table 3 сатрҳои берун аз anti-icing оид ба asphalt molecular dynamics ва spiking/pulse neural networks training мавҷуданд; онҳо ба ядрои илмии anti-icing-и Verianla дохил карда нашудаанд.

Маблағгузорӣ: “Qing Lan Project”, Jiangsu Province.

Institutional Review Board: Татбиқ намешавад.

Informed Consent: Татбиқ намешавад.

Дастрасии маълумот: Маълумотро аз муаллифон дархост кардан мумкин аст.

Изҳороти истифодаи зеҳни сунъӣ: Муаллифон гузориш додаанд, ки Doubao / Doubao-Seed-2.1 Pro-ро танҳо барои беҳтар кардани сохтори ҷумла, грамматика ва хонданбобӣ истифода бурда, натиҷаро худ баррасӣ ва таҳрир кардаанд ва барои мундариҷаи ниҳоӣ масъуланд.

Ихтилофи манфиатҳо: Муаллифон ихтилофи манфиатҳоро гузориш надодаанд.

Саҳмҳои муаллифон: Консептуализатсия Z.C. ва S.W.; методология Z.C.; тасдиқ Z.C. ва S.W.; таҳлили формалӣ, таҳқиқот ва куратсияи додаҳо Z.C.; лоиҳаи аслӣ Z.C.; баррасӣ/таҳрир Z.C. ва S.W.; машварат S.W.; дарёфти маблағ S.W.

Ёддошти ҳуқуқи муаллиф/визуалӣ: Мақола таҳти литсензияи CC BY аст; аммо баъзе шаклҳои дохили барраси аз нашрияҳои пешина мутобиқ карда шудаанд. Дар визуалҳои Verianla ба ҷои нусхаи мустақими пикселӣ бозкашии илмии ба манбаъ содиқ, вале аслӣ афзал дониста мешавад.