Солнечная ледофобность на основе плазмонных метаповерхностей: Пассивная стратегия борьбы с обледенением

2.1 Конструкция плазмонной метаповерхности

Метаповерхность представляет собой композитную тонкую плёнку, состоящую из включений наночастиц золота (Au NP), внедрённых в диэлектрическую матрицу из диоксида титана (TiO₂). Эта конструкция не является произвольной; она использует плазмонный резонанс наночастиц благородных металлов. При освещении солнечным светом электроны проводимости в наночастицах Au совершают коллективные колебания — явление, известное как локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR). Этот резонанс можно настраивать в солнечном спектре, изменяя размер, форму наночастиц и окружающую диэлектрическую среду (TiO₂). Матрица TiO₂ служит двойной цели: она защищает наночастицы и, благодаря своему высокому показателю преломления, усиливает локальное электромагнитное поле вокруг них, повышая поглощение.

2.2 Механизм поглощения солнечной энергии

Спроектированный LSPR обеспечивает широкополосное поглощение солнечного излучения. Ключевым моментом является то, что поглощённая энергия фотонов быстро преобразуется в тепло посредством нетепловых каналов релаксации (электрон-фононное рассеяние) в объёме ультратонкого покрытия. Этот процесс концентрирует тепловую энергию в микроскопической области на поверхности, создавая локализованную «горячую точку» именно там, где начинается нуклеация льда. Баланс между оптической прозрачностью (необходимой для таких применений, как лобовые стёкла) и поглощением света (необходимым для нагрева) достигается за счёт рационального проектирования плотности и распределения наночастиц. Разреженные, хорошо диспергированные наночастицы позволяют свету проходить, обеспечивая при этом достаточное коллективное поглощение для эффективного нагрева.

3.1 Тепловые характеристики и повышение температуры

При имитации солнечного освещения (1 солнце, спектр AM 1.5G) плазмонная метаповерхность продемонстрировала устойчивое повышение температуры на более чем 10 °C выше окружающей среды на границе воздух-покрытие. Это критический порог, так как он может значительно сместить термодинамическое равновесие, задерживая начало замерзания переохлаждённых капель воды. Инфракрасная термография (предлагаемая визуализация) показала бы, что поверхность покрытия заметно теплее, чем непокрытая стеклянная подложка при одинаковом освещении.

3.2 Снижение адгезии льда и подавление инея

Локализованный нагрев напрямую приводит к превосходным ледофобным свойствам:

• Удаление льда: Прочность сцепления льда была снижена до «пренебрежимо малых уровней». Межфазный нагрев создаёт тонкий квазижидкий слой на границе лёд-покрытие, резко снижая усилие сдвига, необходимое для удаления льда.
• Предотвращение обледенения: Поверхность эффективно подавляла образование инея. Поддерживая температуру границы выше точки росы или ускоряя испарение микрокапель до их замерзания, предотвращается нарастание инея.
• Задержка замерзания: Время замерзания переохлаждённой капли воды на метаповерхности было существенно увеличено по сравнению с контрольными поверхностями.

4.1 Математическая модель и ключевые формулы

Производительность зависит от баланса между поглощённой солнечной мощностью и теплопотерями. Упрощённый энергетический баланс в стационарном состоянии на поверхности можно выразить как:

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

Где:
$P_{absorbed}$ — общая поглощённая солнечная мощность.
$A$ — освещаемая площадь.
$I_{solar}$ — интенсивность солнечного излучения.
$\alpha(\lambda)$ — зависящий от длины волны коэффициент поглощения метаповерхности, созданный с помощью LSPR.
$Q_{conv}$, $Q_{rad}$, $Q_{cond}$ представляют собой теплопотери за счёт конвекции, излучения и теплопроводности в подложку соответственно.

Результирующее повышение температуры в стационарном состоянии $\Delta T$ определяется результирующей мощностью и тепловыми свойствами системы. Коэффициент поглощения $\alpha(\lambda)$ является ключевым проектируемым параметром, выводимым из эффективной диэлектрической проницаемости композитного материала, часто моделируемой с использованием теории эффективной среды Максвелла-Гарнетта для сферических включений:

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

Где $\epsilon_{eff}$, $\epsilon_m$ и $\epsilon_{NP}$ — диэлектрические проницаемости эффективной среды, матрицы TiO₂ и наночастицы Au соответственно, а $f$ — объёмная доля наночастиц.

4.2 Аналитическая основа: Компромисс между прозрачностью и поглощением

Оценка таких технологий требует многопараметрической основы. Для прозрачной солнечно-тепловой ледофобной поверхности мы должны анализировать Парето-фронт между двумя ключевыми показателями эффективности (KPI):

1. KPI 1: Коэффициент пропускания видимого света (VLT, %): Измеряется в диапазоне 380-750 нм. Необходим для применений, таких как окна и лобовые стёкла.
2. KPI 2: Эффективность солнечно-теплового преобразования (STCE, %): Доля падающей солнечной мощности, преобразуемая в полезную мощность межфазного нагрева.

Пример: Конструкция с низкой объёмной долей (f) мелких, хорошо диспергированных наночастиц Au может обеспечить высокий VLT (например, 80%), но более низкий STCE (например, 15%), что приводит к умеренному $\Delta T$ в 5°C. И наоборот, более высокая f или более крупные наночастицы увеличивают STCE (например, 40%), но сильнее рассеивают свет, снижая VLT до 50%, при этом достигая $\Delta T$ >15°C. «Оптимальная» точка на этом фронте зависит от применения. Окно кабины самолёта может отдавать приоритет VLT >70% с умеренным нагревом, в то время как защитное покрытие солнечной панели может пожертвовать некоторой прозрачностью ради максимальной мощности удаления льда (STCE >35%). Эта концептуальная основа заставляет выйти за рамки одного показателя и позволяет осуществлять целенаправленное проектирование.