سطوح فراماده‌ای پلاسمونیک با انرژی خورشیدی برای ایجاد خاصیت یخ‌گریزی: یک راهبرد غیرفعال ضد یخ‌زدگی

2.1 طراحی سطح فراماده پلاسمونیک

سطح فراماده یک لایه نازک کامپوزیتی متشکل از ذرات نانوذرات طلا (Au NP) تعبیه‌شده در یک ماتریس دی‌الکتریک دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) است. این طراحی دلخواه نیست؛ از رزونانس پلاسمونیک نانوذرات فلز نجیب بهره می‌برد. هنگامی که توسط نور خورشید روشن می‌شود، الکترون‌های هدایت در نانوذرات طلا به صورت جمعی نوسان می‌کنند، پدیده‌ای که به عنوان رزونانس پلاسمون سطحی موضعی (LSPR) شناخته می‌شود. این رزونانس را می‌توان با تنظیم اندازه، شکل نانوذره و محیط دی‌الکتریک اطراف (TiO₂) در سراسر طیف خورشیدی تنظیم کرد. ماتریس TiO₂ هدف دوگانه‌ای را دنبال می‌کند: از نانوذرات محافظت می‌کند و به دلیل ضریب شکست بالا، میدان الکترومغناطیسی موضعی اطراف نانوذرات را تقویت کرده و جذب را افزایش می‌دهد.

2.2 مکانیسم جذب انرژی خورشیدی

LSPR مهندسی‌شده امکان جذب پهن‌باند تابش خورشیدی را فراهم می‌کند. نکته حیاتی این است که انرژی فوتون جذب‌شده به سرعت از طریق مسیرهای واپاشی غیرتابشی (پراکندگی الکترون-فونون) در حجم پوشش فوق‌نازک به گرما تبدیل می‌شود. این فرآیند انرژی حرارتی را در یک منطقه بسیار کوچک در سطح متمرکز می‌کند و یک "نقطه داغ" موضعی دقیقاً در جایی که هسته‌زایی یخ آغاز می‌شود ایجاد می‌کند. تعادل بین شفافیت نوری (مورد نیاز برای کاربردهایی مانند شیشه جلو) و جذب نور (مورد نیاز برای گرمایش) با طراحی منطقی چگالی و توزیع نانوذرات حاصل می‌شود. نانوذرات پراکنده و با فاصله مناسب، انتقال نور را امکان‌پذیر می‌کنند در حالی که همچنان جذب جمعی کافی برای گرمایش مؤثر را فراهم می‌کنند.

3.1 عملکرد حرارتی و افزایش دما

تحت تابش شبیه‌سازی شده خورشید (۱ خورشید، طیف AM 1.5G)، سطح فراماده پلاسمونیک افزایش دمای پایدار بیش از ۱۰ درجه سانتی‌گراد بالاتر از محیط را در فصل مشترک هوا-پوشش نشان داد. این یک آستانه بحرانی است، زیرا می‌تواند تعادل ترمودینامیکی را به طور قابل توجهی تغییر دهد و شروع انجماد را برای قطرات آب فوق‌سرد به تأخیر بیندازد. تصویربرداری حرارتی مادون قرمز (یک تجسم پیشنهادی) سطح پوشش را به وضوح گرم‌تر از زیرلایه شیشه‌ای بدون پوشش تحت نوردهی یکسان نشان می‌دهد.

3.2 کاهش چسبندگی یخ و مهار یخ‌زدگی

گرمایش موضعی مستقیماً به عملکرد برتر یخ‌گریزی ترجمه می‌شود:

• ذوب یخ: استحکام چسبندگی یخ به "سطوح ناچیز" کاهش یافت. گرمایش فصل مشترک یک لایه شبه مایع نازک در فصل مشترک یخ-پوشش ایجاد می‌کند که نیروی برشی مورد نیاز برای برداشتن یخ را به شدت کاهش می‌دهد.
• ضد یخ‌زدگی: سطح به طور مؤثری تشکیل یخ‌زدگی را مهار کرد. با حفظ دمای فصل مشترک بالاتر از نقطه شبنم یا با تسریع تبخیر میکروقطرات قبل از یخ زدن، تجمع یخ‌زدگی جلوگیری می‌شود.
• تأخیر در انجماد: زمان انجماد یک قطره آب فوق‌سرد روی سطح فراماده در مقایسه با سطوح کنترل به میزان قابل توجهی افزایش یافت.

4.1 مدل ریاضی و فرمول‌های کلیدی

عملکرد به تعادل بین توان خورشیدی جذب‌شده و اتلاف حرارت بستگی دارد. یک تعادل انرژی حالت پایدار ساده‌شده در سطح را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

$P_{absorbed} = A \cdot I_{solar} \cdot \alpha(\lambda) = Q_{conv} + Q_{rad} + Q_{cond}$

جایی که:
$P_{absorbed}$ کل توان خورشیدی جذب‌شده است.
$A$ سطح روشن‌شده است.
$I_{solar}$ تابش خورشیدی است.
$\alpha(\lambda)$ ضریب جذب وابسته به طول موج سطح فراماده است که از طریق LSPR مهندسی شده است.
$Q_{conv}$، $Q_{rad}$، $Q_{cond}$ به ترتیب نشان‌دهنده اتلاف حرارت از طریق همرفت، تابش و رسانش به زیرلایه هستند.

افزایش دمای حالت پایدار حاصل $\Delta T$ توسط توان خالص و خواص حرارتی سیستم کنترل می‌شود. ضریب جذب $\alpha(\lambda)$ پارامتر مهندسی‌شده بحرانی است که از گذردهی مؤثر ماده کامپوزیت مشتق شده است و اغلب با استفاده از نظریه محیط مؤثر ماکسول-گارنت برای ذرات کروی مدل می‌شود:

$\frac{\epsilon_{eff} - \epsilon_m}{\epsilon_{eff} + 2\epsilon_m} = f \frac{\epsilon_{NP} - \epsilon_m}{\epsilon_{NP} + 2\epsilon_m}$

جایی که $\epsilon_{eff}$، $\epsilon_m$ و $\epsilon_{NP}$ به ترتیب گذردهی محیط مؤثر، ماتریس TiO₂ و نانوذره Au هستند و $f$ کسر حجمی نانوذرات است.

4.2 چارچوب تحلیل: مصالحه شفافیت-جذب

ارزیابی چنین فناوری‌هایی نیازمند یک چارچوب چندپارامتری است. برای یک سطح یخ‌گریز گرمایش خورشیدی شفاف، باید مرز پارتو بین دو شاخص کلیدی عملکرد (KPI) را تحلیل کنیم:

1. KPI 1: عبور نور مرئی (VLT، %): اندازه‌گیری شده در محدوده ۳۸۰-۷۵۰ نانومتر. برای کاربردهایی مانند پنجره‌ها و شیشه جلو ضروری است.
2. KPI 2: بازده تبدیل حرارتی خورشیدی (STCE، %): کسری از توان خورشیدی فرودی که به توان گرمایشی قابل استفاده در فصل مشترک تبدیل می‌شود.

مثال موردی: یک طراحی با کسر حجمی کم (f) از نانوذرات طلای کوچک و با پراکندگی خوب ممکن است به VLT بالا (مثلاً ۸۰٪) اما STCE پایین‌تر (مثلاً ۱۵٪) دست یابد که منجر به $\Delta T$ متوسط ۵ درجه سانتی‌گراد می‌شود. برعکس، f بالاتر یا نانوذرات بزرگتر STCE را افزایش می‌دهد (مثلاً ۴۰٪) اما نور بیشتری را پراکنده می‌کند و VLT را به ۵۰٪ کاهش می‌دهد، در حالی که به $\Delta T$ >15°C دست می‌یابد. نقطه "بهینه" در این مرز وابسته به کاربرد است. پنجره کابین خلبان یک هواپیما ممکن است اولویت را به VLT >70% با گرمایش متوسط بدهد، در حالی که پوشش پنل خورشیدی ممکن است مقداری شفافیت را برای حداکثر توان ذوب یخ (STCE >35%) فدا کند. این چارچوب ما را وادار می‌کند که از یک معیار واحد فراتر رفته و امکان طراحی هدفمند را فراهم می‌کند.