【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學賀志遠教授的團隊在《Nature Communications》發表題為"Chromatic forecasting hydrogels for anti-icing applications"的研究論文，開發了一種基于冰核蛋白(INPs)和聚集誘導發光分子(AIEgens)的結冰預警水凝膠(IFH)器件。該器件通過提前結冰和顏色編碼來實現結冰事件發生時間的精準預測，從而進行有效的防/除冰措施，并在風電領域展現出獨特的應用價值。
結冰現象對風力發電、電網設施和交通系統會造成嚴重影響，可能導致能源消耗、經濟損失和安全問題。現有防冰技術主要集中在防/除冰設備和材料的開發上，而對結冰預測機制的研究相對不足。傳統方法難以準確預測固體表面的冰晶形成時間，這主要歸因于冰核過程的隨機性和不可預測性，結冰過程受多種環境參數影響，不同地理、氣象和物理條件下的結冰情況差異顯著，僅依靠氣象數據建模預測的準確率不足。受自然界耐寒生物通過其體內產生的冰成核蛋白(INPs)調控細胞外結晶獨特機制的啟發，本研究創新設計了一種基于冰核蛋白(INPs)來達到比外界大環境提前一段時間結冰的效果，制備了一種結冰預警水凝膠器件。通過調控INPs含量，可以在-6至-28°C的寬溫度范圍內精確預測結冰時間，并利用聚集誘導發光(AIE)分子的特殊功能進行可視化預警，從而有效地提前開啟加熱除冰措施，在2小時內使風力發電機凈增發電量約 1898 kWh。
圖1展示了IFH裝置的仿生設計原理。研究團隊利用INPs加速水凝膠的凍結，并通過AIEgens的特殊的聚集誘導熒光現象實現凍結過程的可視化監測。實驗表明，在特定條件下，含有INPs的IFH-B1水凝膠在1分鐘內即發生凍結，而純水和不含INPs的聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠則需要110分鐘左右。通過100次獨立凍結實驗驗證了裝置的可重復性和穩定性。
圖1 仿生結冰預警器件的設計與功能。
通過深入研究AIEgens的結冰誘導發光特性，基于四苯乙烯衍生物構建了多色分級可視化結冰熒光信號。本研究合成了四種不同熒光顏色的AIEgens(TPP-Na、TPE-Na2、TPP和TVP)，分別對應藍、綠、黃和紅色熒光。穩態熒光光譜顯示，凍結狀態下添加了這些AIEgens的水凝膠IFH-R、IFH-Y、IFH-G和IFH-B的發射峰分別位于580nm、570nm、490nm和450nm，而未凍結的IFH-A幾乎不顯示熒光強度。結合低溫顯微觀測進一步證明了AIE 分子會富集在冰-水界面，這些分子未結冰時幾乎不發光，而在-30 ℃凍結后熒光顯著增強，證實了結冰誘導發光現象。因此通過調控AIE分子結構，成功構建了藍-綠-紅三色為主的分級預警可視化信號。
圖2 AIE分子的凍結誘導發光特性及IFH-A(含AIEgens的功能化水凝膠)的性能分析。
本研究制備了冰成核溫度可調的聚丙烯酰胺水凝膠體系，探討了不同INPs含量對冰核溫度(TIN)的影響。通過精確控制高活性冰成核蛋白(INPs)的濃度(10 -11 mg/mL ~1 mg/mL)，實現了-13.9 ℃至-6.3 ℃的成核溫度調控范圍。研究發現通過調節INPs濃度可以精確控制TIN，差示掃描量熱法(DSC)測量進一步證實了INPs對冰核行為的調控能力。這種精確的溫度調控能力為分級預警提供了時間窗口保障。同時探究了水凝膠結冰溫度的多重影響因素(水凝膠含水量、AIE 分子結構、降溫速率等)，最終實現寬溫度窗口成核溫度主動調控。
圖3 不同冰核蛋白(INP)含量的IFH的冰成核活性研究。
在以上理論研究的基礎上，研發了一種采用光纖傳輸的柔性、微型、集成化結冰預警水凝膠(IFH)器件，圖4展示了IFH器件的集成設計和工作原理。該器件的關鍵部件由三塊功能化聚丙烯酰胺水凝膠構成，每塊水凝膠中分別摻入了具有聚集誘導發光特性(AIE)的不同分子(TPP-Na、TPE-Na?、TVP)，并對應特定的冰核蛋白濃度(1 mg/mL、10?? mg/mL、10?¹¹ mg/mL)。隨著環境溫度逐步降低至各水凝膠的冰點，相應的水凝膠會依次發生凍結并發出特定波長的熒光(藍光、綠光和紅光)，從而產生多級光學警示信號。該裝置將水凝膠器件與光學系統結合，通過光纖光譜儀監測熒光信號變化，并將熒光信號轉換為電信號，從而可根據預設的程序來觸發除冰系統。實驗數據顯示，在1°C/min的降溫速率下，不同配方的功能水凝膠IFH-B1、IFH-G6和IFH-R11分別能夠提供25、21和10分鐘的預警時間。
圖4 IFH器件的集成及其結冰預警時間探究。
圖5驗證了IFH裝置在風力發電機上的實際應用效果。通過在風力發電機上的實地測試表明，該器件可在結冰前發出可檢測到的預警信號，使配備IFH裝置的風力發電機相較于對照組提前70分鐘啟動電熱膜除冰系統，在易結冰條件下的2小時內凈發電量相較于對照組提升1898 kWh。同時，電加熱膜的能耗僅為32kWh，顯示出良好的能效比。
圖5 IFH器件在風力發電機上的實際應用驗證。
本研究開發的IFH裝置通過仿生設計和材料創新，突破了傳統技術只能在結冰后檢測的局限，實現了結冰事件的精準預測和可視化監測，從被動應對轉變為主動預防。顏色編碼系統的引入使得不同危險等級的結冰情況得以區分，為主動式除冰技術提供了可靠的時間窗口。結冰預警水凝膠器件具有體積小、響應快、抗惡劣環境等特點，在凍雨、低溫等實際工況下展現出可靠的預警性能和長期穩定性，其在風力發電領域的成功應用證明了該技術的實用價值。該技術有望擴展到電網設施、交通運輸等多個防冰應用場景，為解決結冰災害提供新的技術方案，也為智能材料在災害預警領域的應用開辟了新途徑。
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