北京理工大学贺志远教授的团队在《Nature Communications》发表题为"Chromatic forecasting hydrogels for anti-icing applications"的研究论文，开发了一种基于冰核蛋白（INPs）和聚集诱导发光分子（AIEgens）的结冰预警水凝胶（IFH）器件。该器件通过提前结冰和颜色编码来实现结冰事件发生时间的精准预测，从而进行有效的防/除冰措施，并在风电领域展现出独特的应用价值。

  结冰现象对风力发电、电网设施和交通系统会造成严重影响，可能导致能源消耗、经济损失和安全问题。现有防冰技术主要集中在防/除冰设备和材料的开发上，而对结冰预测机制的研究相对不足。传统方法难以准确预测固体表面的冰晶形成时间，这主要归因于冰核过程的随机性和不可预测性，结冰过程受多种环境参数影响，不同地理、气象和物理条件下的结冰情况差异显著，仅依靠气象数据建模预测的准确率不足。受自然界耐寒生物通过其体内产生的冰成核蛋白（INPs）调控细胞外结晶独特机制的启发，本研究创新设计了一种基于冰核蛋白（INPs）来达到比外界大环境提前一段时间结冰的效果，制备了一种结冰预警水凝胶器件。通过调控INPs含量，可以在-6至-28°C的宽温度范围内精确预测结冰时间，并利用聚集诱导发光（AIE）分子的特殊功能进行可视化预警，从而有效地提前开启加热除冰措施，在2小时内使风力发电机净增发电量约 1898 kWh。

  图1展示了IFH装置的仿生设计原理。研究团队利用INPs加速水凝胶的冻结，并通过AIEgens的特殊的聚集诱导荧光现象实现冻结过程的可视化监测。实验表明，在特定条件下，含有INPs的IFH-B1水凝胶在1分钟内即发生冻结，而纯水和不含INPs的聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶则需要110分钟左右。通过100次独立冻结实验验证了装置的可重复性和稳定性。

图1仿生结冰预警器件的设计与功能。

  通过深入研究AIEgens的结冰诱导发光特性，基于四苯乙烯衍生物构建了多色分级可视化结冰荧光信号。本研究合成了四种不同荧光颜色的AIEgens（TPP-Na、TPE-Na₂、TPP和TVP），分别对应蓝、绿、黄和红色荧光。稳态荧光光谱显示，冻结状态下添加了这些AIEgens的水凝胶IFH-R、IFH-Y、IFH-G和IFH-B的发射峰分别位于580nm、570nm、490nm和450nm，而未冻结的IFH-A几乎不显示荧光强度。结合低温显微观测进一步证明了AIE 分子会富集在冰-水界面，这些分子未结冰时几乎不发光，而在-30 ℃冻结后荧光显著增强，证实了结冰诱导发光现象。因此通过调控AIE分子结构，成功构建了蓝-绿-红三色为主的分级预警可视化信号。

图2 AIE分子的冻结诱导发光特性及IFH-A（含AIEgens的功能化水凝胶）的性能分析。

  本研究制备了冰成核温度可调的聚丙烯酰胺水凝胶体系，探讨了不同INPs含量对冰核温度（T_IN）的影响。通过精确控制高活性冰成核蛋白（INPs）的浓度（10 ^-11 mg/mL ~1 mg/mL），实现了-13.9 ℃至-6.3 ℃的成核温度调控范围。研究发现通过调节INPs浓度可以精确控制T_IN，差示扫描量热法（DSC）测量进一步证实了INPs对冰核行为的调控能力。这种精确的温度调控能力为分级预警提供了时间窗口保障。同时探究了水凝胶结冰温度的多重影响因素（水凝胶含水量、AIE 分子结构、降温速率等），最终实现宽温度窗口成核温度主动调控。

图3 不同冰核蛋白（INP）含量的IFH的冰成核活性研究。

  在以上理论研究的基础上，研发了一种采用光纤传输的柔性、微型、集成化结冰预警水凝胶（IFH）器件，图4展示了IFH器件的集成设计和工作原理。该器件的关键部件由三块功能化聚丙烯酰胺水凝胶构成，每块水凝胶中分别掺入了具有聚集诱导发光特性（AIE）的不同分子（TPP-Na、TPE-Na₂、TVP），并对应特定的冰核蛋白浓度（1 mg/mL、10^-6 mg/mL、10^-11 mg/mL）。随着环境温度逐步降低至各水凝胶的冰点，相应的水凝胶会依次发生冻结并发出特定波长的荧光（蓝光、绿光和红光），从而产生多级光学警示信号。该装置将水凝胶器件与光学系统结合，通过光纤光谱仪监测荧光信号变化，并将荧光信号转换为电信号，从而可根据预设的程序来触发除冰系统。实验数据显示，在1°C/min的降温速率下，不同配方的功能水凝胶IFH-B1、IFH-G6和IFH-R11分别能够提供25、21和10分钟的预警时间。

图4  IFH器件的集成及其结冰预警时间探究。

  图5验证了IFH装置在风力发电机上的实际应用效果。通过在风力发电机上的实地测试表明，该器件可在结冰前发出可检测到的预警信号，使配备IFH装置的风力发电机相较于对照组提前70分钟启动电热膜除冰系统，在易结冰条件下的2小时内净发电量相较于对照组提升1898 kWh。同时，电加热膜的能耗仅为32kWh，显示出良好的能效比。

图5  IFH器件在风力发电机上的实际应用验证。

  本研究开发的IFH装置通过仿生设计和材料创新，突破了传统技术只能在结冰后检测的局限，实现了结冰事件的精准预测和可视化监测，从被动应对转变为主动预防。颜色编码系统的引入使得不同危险等级的结冰情况得以区分，为主动式除冰技术提供了可靠的时间窗口。结冰预警水凝胶器件具有体积小、响应快、抗恶劣环境等特点，在冻雨、低温等实际工况下展现出可靠的预警性能和长期稳定性，其在风力发电领域的成功应用证明了该技术的实用价值。该技术有望扩展到电网设施、交通运输等多个防冰应用场景，为解决结冰灾害提供新的技术方案，也为智能材料在灾害预警领域的应用开辟了新途径。

  论文信息：

  Hou, W., Chen, X., Wang, D.et al. Chromatic forecasting hydrogels for anti-icing applications. Nat Commun 16, 4881 (2025).

  全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58806-2