冰霜在低温环境中的形成与积聚会显著影响交通安全、能源设施效率以及光学和透明电子器件的运行可靠性。飞机机翼、汽车玻璃、光伏组件、建筑采光窗和透明传感器等表面一旦结冰，不仅会造成光学透过率下降和功能失效，还可能引发额外能耗与安全风险。现有防除冰策略主要分为主动和被动两类：主动方式依靠光热、电热、声学或机械振动等外部能量融化或剥离冰层；被动方式则通过调控表面能、微纳结构和润湿性，延缓冰成核或降低冰黏附。然而，单一策略通常难以同时满足低能耗、快速除冰、长效抗冰和环境适应性等要求。对于透明器件而言，这一矛盾更加突出。提高光热吸收或导电层厚度有利于增强热输出，却往往会牺牲可见光透过率；超疏水或低黏附表面能够延缓结冰，但在冰层已经形成后缺乏主动清除能力；透明电热膜虽然可实现焦耳加热，却通常需要持续供电，且难以兼顾低冰黏附和电磁防护。因此，如何在保持透明性的同时，将被动延迟结冰、主动光热/电热除冰、低冰黏附、机械稳定性和电磁屏蔽集成于同一界面，是透明防除冰材料面临的关键挑战。

  二维Ti?C?T? MXene具有高电导率、宽光谱吸收、优异的光热/电热转换能力和电磁波衰减特性，是构建透明多功能热管理层的理想材料。但本征MXene表面亲水且易氧化，直接暴露于潮湿和低温环境时容易产生较强的冰-固界面作用并影响长期稳定性。与之互补的聚二甲基硅氧烷（PDMS）分子刷具有极低的玻璃化转变温度和“类液体”链段运动特性，可削弱水分子与基底之间的氢键作用，降低水和冰的黏附，同时为下层导电网络提供环境保护。将两者进行功能分层和协同耦合，为突破透明性、热输出与界面抗冰性能之间的制约提供了新的思路。

研究创新：功能解耦与协同耦合的透明多场除冰界面

  研究团队构建了一种MXene/SiO?-PDMS分子刷透明复合膜（MSP）。该结构不再要求单一材料同时承担所有功能，而是将能量转换与界面调控空间分离：剪切取向的MXene层负责太阳能光热转换、低电压焦耳加热、面内热扩散和电磁屏蔽；上层SiO?-PDMS分子刷则构筑低表面能、低黏附且具有动态链段重构能力的抗冰界面，用于抑制异质成核、降低冰黏附、促进融水快速脱离并保护MXene网络。白天可利用太阳光实现无接触光热除冰，夜间、阴天或积雪遮挡条件下则通过低电压电热模式持续工作，从而形成“被动延迟结冰/主动双模式除冰/电磁防护”的全天候协同体系。MSP膜在可见光区保持65%以上透过率，水接触角约为161°，滑动角约为 1.1°；在-25 °C条件下，水滴结冰时间由对照表面的几十秒延长至约165 s。在-30 °C环境中，1 sun光照可在约5 min内移除冰块，3.0 V电热输入可在206 s内完成冰块脱附。其X波段电磁屏蔽效能最高达到37.8 dB，并可实现大面积制备。

  相关工作以“All-weather transparent MXene-based dynamic de-icing membrane with multi-field coupling”为题发表在 Materials Horizons期刊。北京印刷学院研究生胡晨舜为论文第一作者，北京印刷学院焦守政、孙志成和哈尔滨工业大学成中军为论文通讯作者。

MSP 膜的设计与协同除冰机制

  MSP膜采用“透明基底-能量转换层-界面调控层”的分级结构。PET提供柔性和透明支撑，刀涂形成的MXene纳米片沿基底方向紧密排列，构建连续的电子和热传输网络；随后在MXene表面通过气相沉积形成SiO?纳米结构，并进一步接枝PDMS分子刷，得到兼具微纳粗糙度和超低表面能的顶层界面（图1）。

图1 MSP透明多场耦合除冰膜的结构设计及昼夜协同除冰机制

  在光热模式下，MXene对入射光进行宽光谱吸收，光生载流子通过非辐射弛豫将光能快速转化为热能，热量沿二维片层网络面内扩散并传递至冰-膜界面；在电热模式下，连续导电网络在低电压作用下产生均匀焦耳热。与此同时，SiO?-PDMS分子刷通过降低界面黏附和促进融水排出，使除冰过程不必完全熔化大体积冰层，只需优先形成薄的界面水层即可触发冰块滑移或脱附。该设计实现了能量产生与冰界面调控的功能解耦，并在实际除冰过程中形成协同增效。

MXene薄膜的制备与透明导电特性

  研究首先采用LiF/HCl原位刻蚀体系选择性去除Ti?AlC?中的Al层，经剥离和离心后获得少层Ti?C?T? MXene 纳米片。所得纳米片平均横向尺寸约为10-12 μm，AFM 测得厚度约为3-4 nm。较大的横向尺寸有助于减少片间连接点和接触电阻，而纳米级厚度则可降低光学衰减，为透明导电膜的构筑提供结构基础。

图2 MXene薄膜的制备、微观结构及透明导电性能

  通过刀涂过程中产生的剪切力，MXene纳米片平行于基底高度取向并形成致密层状网络。随着名义涂布厚度由2 μm增加至20 μm，片电阻由71.4 Ω·sq?1降低至7 Ω·sq?1，表明导电通路逐渐连续；与此同时，光学透过率随厚度增加而下降。综合透明度、导电性和热转换性能，5 μm膜表现出更合理的平衡，可见光透过率约为60%-65%，同时具备较低电阻和稳定的面内热传导能力，因此被选作后续多功能膜的代表性厚度。

SiO?-PDMS分子刷界面构筑与类液体低黏附特性

  在MXene层表面构筑SiO?纳米骨架后，研究采用气相接枝方式引入线性PDMS分子刷。XPS中Si-O-Si和C-Si-O组分的变化，以及FT-IR中羟基峰减弱、Si-O-Si骨架峰增强和Si-C/Si-CH?特征峰出现，共同证明PDMS通过共价键稳定锚定于SiO?表面。截面 SEM 清晰显示了PET基底、致密MXene功能层和均匀SiO?-PDMS顶层组成的三层结构；表面改性前后透过率曲线基本重合，说明分子刷层未引起明显光学损失（图3）。

图3 SiO?-PDMS分子刷层的构筑、化学组成及动态润湿行为

  AFM力-距离曲线表明，PDMS分子刷层厚度约为4.07 nm，接枝密度为0.47 chains·nm?2，约化接枝密度为 3.26，处于“mushroom-to-brush”过渡区间。该构象既保持一定链段拥挤度，又保留充分的分子运动能力，使表面呈现可动态重构的类液体特征。MSP表面水滴几乎不发生铺展，在约1.1°倾角下即可滚落；高速摄影显示水滴可在约26 ms内完成撞击、铺展、回缩和反弹，表面无明显液体残留。这种超低黏附和快速能量释放行为有利于减少过冷水停留、冷凝液滞留及融水再冻结。

低温延迟结冰机制与环境稳定性

  在降温-结冰-升温循环中，水滴在MSP表面长时间保持较高接触角，只有在更低温度下才发生界面成核。其主要原因在于微纳结构和低表面能共同维持Cassie-Baxter状态，水滴底部保留空气层，降低实际固-液接触面积并增加界面热阻。COMSOL相场模拟进一步显示，冰相首先在水滴底部狭窄区域形成，随后冻结前沿缓慢向上推进；与对照表面相比，MSP上的冰相演化明显滞后，说明该界面可同时调控传热过程和成核动力学（图4）。

图4 MSP膜的延迟结冰机制、冻结过程模拟与环境稳定性

  在-25 °C冷台上，10 μL水滴在纯MXene表面的冻结时间约为45 s；沉积亲水SiO?后，冻结时间进一步缩短至约25 s；接枝PDMS分子刷后，MSP表面的冻结时间显著延长至约165 s。同时，MSP的冰黏附强度明显低于PET、MXene和MXene-SiO?对照组，说明分子刷可有效削弱冰-固界面作用。经pH=1酸液、弱酸、60 °C热处理、盐水、紫外照射及100次冻融循环后，其水接触角仍保持在160°-165°；经历 500 次弯折后仍高于158°。刚性SiO?骨架对微纳粗糙结构的保护与PDMS链段的动态重排共同赋予膜层良好的环境耐久性。

光热转换与低温光热除冰性能

  在1.0 sun光照下，不同厚度MXene膜均表现出快速光热响应。随着膜厚由2 μm增加至20 μm，稳态温度由约40.8 °C提升至约80.2 °C，主要源于光程增长、多重散射增强和光子捕获效率提高。5 μm MSP膜在兼顾透明性的同时表现出较高温升，其温度在60 s内由19.9 °C升至54.2 °C，平均升温速率超过0.55 °C·s?1；红外图像未出现明显热点，表明MXene层具有均匀的面内热扩散能力（图5）。

图5 MSP膜的光热转换、低温光热除冰及循环稳定性

  在-30 °C环境中，对照表面的冰块在1 sun光照15 min后仍未被移除，表面温度约为-25.6 °C；而MSP膜可迅速吸收太阳能并将冰-膜界面加热至熔点以上，冰块在约5 min内完成脱附，对应膜面温度约为5.6 °C。循环测试中，膜面在重复开/关光过程中稳定地在约25 °C与52 °C之间变化，温升曲线几乎无衰减；连续照射8000 s后温度仍稳定在51±2 °C。约90次光热除冰循环中，单次除冰时间始终维持在5-6 min，体现出良好的光热疲劳耐受性和界面排水稳定性。

电热转换与极寒电热除冰性能

  为应对夜间、阴天和积雪遮挡等弱光环境，研究进一步利用MXene连续导电网络构建低电压电热模式。在3.0 V输入下，5 μm MSP膜温度由20.0 °C在15 s内升至63.4 °C，并在 60 s 时达到约72.8 °C；红外热成像显示温度分布均匀。随着电压由1.0 V增加至5.0 V，稳态温度可由约38 °C连续调节至约90 °C，说明该膜具有快速、可控且低电压驱动的焦耳加热能力（图6）。

图6 MSP 膜的电热转换、极寒电热除冰及长期运行稳定性

  在-30 °C条件下施加3.0 V电压后，焦耳热优先传递至冰-膜界面，冰块约在187 s开始滑移，并在206 s内完全移除，此时膜面温度约为28.5 °C。多次通断电循环中，各温升-降温曲线高度重合；恒压运行数千秒后仍保持稳定温度平台。重复弯折后，归一化片电阻和电热响应仅发生轻微变化，约100次电热除冰循环中的熔冰时间也始终处于较窄范围。上述结果表明，剪切取向MXene网络在周期热应力和机械形变下仍能维持连续导电通路，而低黏附分子刷界面可快速排出融水，避免残余水分影响后续除冰效率。

电磁屏蔽性能与规模化应用潜力

  除防除冰功能外，层状MXene网络还可通过表面反射、导电损耗、偶极极化以及片层间多重散射衰减电磁波。随着MXene 厚度由2 μm增加至20 μm，X波段（8.2-12.4 GHz）电磁屏蔽效能由16.8 dB提升至37.8 dB，对应入射电磁能量衰减超过97%。分项分析表明，屏蔽效能的提高主要来源于吸收损耗增加，而非单纯依赖表面反射，这有利于降低二次电磁污染（图7）。

图7 MSP膜的电磁屏蔽机制、实际防护效果及规模化制备展示

  在实际辐射源测试中，未覆盖膜时接收端功率密度约为89.3 mW·cm?2，加入MSP膜后降至19.9 mW·cm?2，衰减幅度超过77%；同时，膜下方仪器仍可清晰观察，证明其能够在保持透明性的条件下实现有效电磁防护。MXene刀涂、SiO?气相沉积和PDMS分子刷接枝工艺可与连续卷对卷制造相兼容，研究已展示宽度约2.0 m的大面积透明膜，说明该结构具备从实验室样品向建筑窗、交通玻璃、光伏组件和透明电子设备等大面积应用场景拓展的潜力。

结论

  本研究提出了一种功能解耦但协同工作的PET/MXene/SiO?-PDMS分子刷透明复合膜。MXene层集中承担光热、电热、面内热扩散和电磁屏蔽功能，SiO?-PDMS分子刷层则提供超疏水、低冰黏附、延迟成核和环境保护作用。通过将主动热生成与被动界面调控耦合，MSP膜在保持65%以上可见光透过率的同时，实现了-25 °C下显著延迟结冰、-30 °C下太阳能/低电压双模式快速除冰，以及最高 37.8 dB的X波段电磁屏蔽。

  该工作突破了透明防除冰材料中光学透过、热输出、界面抗冰和长期稳定性相互制约的问题，并通过循环、弯折、环境老化和大面积制备验证了工程适用性。其“能量转换层+低黏附界面层”的设计思想可进一步推广至透明加热器、光伏组件、航空与汽车玻璃、建筑采光系统和寒区透明电子器件，为全天候、低能耗、多功能防护界面的构筑提供了新的材料设计路径。

  文献链接：https://doi.org/10.1039/d6mh01214k

  Chenshun Hu,Shouzheng Jiao, Rongxue Xi, Jingru Sun, Siqi Wang, Man Wang, Yuwei Hao, Weimin Xu, Zhicheng Sun, Zhongjun Cheng; All-weather transparent MXene-based dynamic de-icing membrane with multi-field coupling. Mater. Horiz. 2026.