极地地区拥有巨大的能源和资源开发潜力，但超低温会导致严重的表面结冰，从而降低关键设备的性能。现行通过外部干预手段快速去除冰层的主动除冰技术存在“高能耗”局限，不符合可持续发展目标以及极地恶劣环境无人化发展愿景。而在长期低温、动态冲击等复杂环境下，界面覆冰不可避免，单纯依赖降低界面成冰倾向的防冰技术难以满足实际应用需求。因此，开发具有本征低冰粘附特性的疏冰界面是应对这一挑战并契合可持续发展理念的有效策略。而现有的疏冰技术缺乏极地部署所需的超低温适应性和耐久性。

  针对这一问题，清华大学李津津团队提出了一种超分子相互作用与微尺度刚–柔异质结构结合的协同设计策略，构建了透明的超分子疏冰离子凝胶（F_PI-ILs@D&P）。该体系以含氟聚酰亚胺为主体，引入低凝固点离子液体[C₃mim][NTf₂]构建低模量凝胶网络，并利用双十二烷基二甲基溴化铵（DDAB）促进离子液体均匀分散，同时通过空心笼状多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）在表面富集形成低表面能刚性位点。优化后的涂层在?30℃下的冰粘附强度降至约6.80 kPa，较裸玻璃钢（GFRP）基底降低99.1%；在?70~?30℃范围内保持低于30 kPa，在?80℃时仍< 60 kPa。宽低温域疏冰性能主要归因于低模量界面形变失配、受限非冻结ILs–H₂O层、POSS驱动降低冰–涂层有效接触面积以及微尺度刚–柔异质结构诱导裂纹扩展的协同作用。同时，基于凝胶内部、凝胶–基底和凝胶–溶剂界面的超分子相互作用，涂层还表现出自清洁、自修复、广谱基底粘附和强极性溶剂触发的可回收性等功能，有效增强了其环境适应性。这项工作为开发适用于超低温环境的功能性疏冰表面提供了一种可行的设计策略。

  相关工作以“Ultralow-Temperature Icephobic Supramolecular Ionogels With Self-Cleaning, Self-Healing, Broad-Spectrum Substrate Adhesion, and Solvent-Triggered Recyclability”为题发表在Advanced Functional Materials上。清华大学机械系博士后张瑞为第一作者，清华大学机械工程系李津津副教授为本文通讯作者。

一、极地超低温环境对疏冰界面提出新要求

  极地及其他极寒区域长期处于低温、高湿和复杂环境之中，飞机、无人机、船舶、监测设备以及光学窗口等装备容易发生表面结冰。传统超疏水表面、低模量聚合物以及液体润滑界面虽然能够在一定程度上降低冰粘附，但分别面临低温Cassie-Wenzel转变、力学强度不足、润滑剂流失及长期稳定性下降等问题。对于需要在?50℃甚至更低温度下持续工作的表面，仅依赖单一疏冰机制往往难以兼顾低冰附着、结构稳定和长期耐久。基于此，研究团队将“低温柔性”和“界面稳固”作为材料设计的两个核心目标，构建了具有刚–柔异质界面的透明超分子离子凝胶，既保留了聚酰亚胺骨架的环境稳定性，又利用离子液体在低温下的液态特征构筑类液态润滑界面。

图1. F_PI-ILs@D&P离子凝胶的仿生设计、组分构成、超分子相互作用及多功能界面示意图。

二、多组分协同构筑透明超分子离子凝胶

  F_PI-ILs@D&P以含氟聚酰亚胺F_PI为主体网络，低凝固点离子液体[C₃mim][NTf₂]被引入聚合物网络，使材料在低温下保持较好的链段运动能力，同时在表面形成受限的类液态润滑层。进一步加入DDAB作为界面相容剂，使离子液体在凝胶内部保持均匀分散；笼状POSS则更倾向于富集在涂层表面，形成低表面能的刚性微区。XPS深度分析、角分辨XPS以及截面EDS结果表明，离子液体分布于涂层表面和内部，而Si元素对应的POSS明显在表面富集，DDAB则主要分布于体相。这样的空间分布使材料形成“体相均匀增塑 + 表面刚性增强”的梯度式界面结构，为后续疏冰、耐久和自清洁等多种性能提供了结构基础。

  在组分配比方面，研究发现离子液体含量并非越高越好。以[C₃mim][NTf₂]为例，当含量提高至一定范围后，涂层模量下降，可增强冰与涂层之间的模量失配；但过高的离子液体含量会导致游离离子液体暴露、机械完整性下降，并影响固化。因此，研究团队最终选择23 wt.% [C3mim][NTf2]、1.75 wt.% DDAB和2.5 wt.%POSS作为优化配方。

图2. F_PI-ILs@D&P结构及组分分析。

三、宽温域疏冰性能及四重协同疏冰机制

  随后，利用自建超低温冰附着测试平台评价其冰粘附性能。结果显示优化后的F_PI-ILs@D&P在?30℃下的冰粘附强度约为6.8 kPa，相较裸GFRP基底降低99.1%。更重要的是，这种疏冰性能并未局限于单一温度。涂层在?70℃至?30℃范围内均保持低于30 kPa的冰附着强度；降至?80℃后，冰附着强度仍为54.6 kPa。上述结果证明其具有超低温适用性，可用于布局极地应用。进一步降至?100℃时，表面冰粘附强度超过100 kPa，原因在于离子液体在极端低温下发生玻璃化转变，使界面润滑作用减弱，同时涂层模量明显上升。这一结果也明确了材料在极端低温条件下的性能边界。

  随后，结合一系列表征与模拟，揭示了其多机制协同超低温疏冰机理：①低模量界面失配：离子液体降低凝胶整体模量，使冰与涂层之间产生明显的力学失配。剪切过程中产生不相容变形，有利于界面应力释放和冰脱附；②受限ILs-H₂O层：低温FTIR显示，降温过程中O-H伸缩振动峰发生明显红移并展宽，同时出现约3250 cm^-1的低波数组分，表明离子液体与水之间形成较强氢键作用并存在受限、非冻结的界面水层。该层能够干扰有序冰结构的形成，并有效降低冰–涂层界面的粘附。③表面富集POSS降低有效接触面积：表面富集的低表面能 POSS增强疏水性，使实际冰–固体接触面积减少，从而进一步降低冰附着。④刚–柔异质界面促进裂纹扩展：AFM模量映射显示，软离子凝胶基体与刚性POSS区域之间存在显著模量差异。有限元计算表明，适当尺寸的POSS团簇能够在界面形成分布式应力/应变集中区，促进微裂纹成核和扩展，降低冰脱附所需的临界载荷。

  此外，POSS的中空笼状结构还能够为硅油提供限域空间，在涂层表面形成二次受限油润滑层。经过硅油后处理的涂层在?30℃下经历105次结冰/剪切脱附循环后，冰粘附强度仍低于15 kPa。同时，未经硅油后处理的涂层同样具有较好的本征耐久性，经105次循环后冰粘附强度约为20.9 kPa。因此硅油吸附可视为进一步优化耐久性的可选后处理，而非实现低冰附着的必要条件。

  材料耐久性测试进一步表明，30次胶带剥离后未出现明显脱层，冰粘附强度保持在约19.3 kPa；经2000目砂纸、50 g载荷进行30次磨损后，冰粘附强度升高至约32.5 kPa，但经4 h室温自愈后又恢复至15 kPa以下；在?40℃至30℃ 的30次冻融循环后，冰粘附强度仍低于10 kPa。这些结果表明，多重超分子相互作用和刚–柔异质结构能够在低温环境下兼顾界面功能与一定的耐久性。

图3. F_PI-ILs@D&P的低温冰粘附性能、耐久性及疏冰机制。

四、高透明、自清洁、自修复、广谱强粘附及强极性溶剂诱导的可回收性

  此外，该离子凝胶并非单一功能疏冰涂层。在光学性能方面，优化厚度范围内的离子凝胶具有较高可见光透明度。对于厚度适中的涂层，350–800 nm可见光区透过率可保持在60–75%以上，而250–350 nm紫外区域的透过率接近0%，说明该涂层兼具透明和紫外阻隔特征。在自清洁性能方面，表面受限离子液体层与富集的POSS协同作用，使水滴在20°倾角下能够快速滑落。20 μL水滴在优化涂层上的滑落时间约为1.15 s，果汁和牛奶等其他水相液体也可以实现快速滑落；同时，水滴能够带走亲水性和疏水性二氧化硅颗粒模拟污染物，体现出液体和固体污染物兼具的自清洁能力。材料还表现出跨温度自愈行为。25℃下表面划痕约4 h基本恢复，在2℃下经过24 h接近完全恢复；即使在?20℃环境中，经过12 h仍保持约20%–40%的愈合能力。其主要归因于低凝点离子液体在受损区域的流动填充，以及氢键和离子–偶极等静电相互作用驱动的界面重构。在基底粘附方面，F_PI-ILs@D&P对GFRP、铝和不锈钢均表现出较强的界面粘附，测得的粘附强度分别约为3.3 ± 0.2、2.5 ± 0.2 和2.2 ± 0.2 MPa。与此同时，该涂层具有强极性溶剂触发的回收特性，在DMAc中约5 min可实现完全溶解，而在乙醇等弱极性介质中保持稳定。水、盐水、弱酸/弱碱和基础油等常见环境介质中也未观察到明显溶解或溶胀。

小结

  总体而言，本研究通过将含氟聚酰亚胺、低凝固点离子液体、DDAB和笼状POSS进行多组分协同设计，构筑了F_PI-ILs@D&P透明超分子离子凝胶涂层。该体系展现出的超低温及宽温域疏冰性能，源于界面模量不匹配、ILs–H?O层引起的附着力降低、表面富集POSS诱导的低冰–固接触面积、刚–柔异质界面引发的应力集中与裂纹扩展以及可选的硅油限域润滑等多重机制。与此同时，该涂层还兼具透明性、自清洁性、自修复性、广谱基材粘附以及环境耐久性。这些特性使其成为极地设备（包括运输和勘探系统、光学窗口、防护面罩、光伏组件，甚至未来的极地机器人平台）极具前景的界面保护方案。此外，其溶剂触发的可回收性不仅便于低成本维护和部件更换，同时也符合脆弱极地生态系统所要求的环境保护标准。

  上述性能进一步凸显，将超分子相互作用与刚–柔异质界面相结合的设计策略，以及依托该策略构建的多功能超分子离子凝胶体系，可为极地及其它严寒环境装备的被动疏冰与界面防护提供全新材料体系与机制依据，在极地及低温工程领域展现出良好的应用潜力。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78396