利用等離子體超表面實現太陽能驅動嘅拒冰性：一種被動式防冰策略

2.1 等離子體超表面設計

超表面係一種複合薄膜，由嵌入二氧化鈦（TiO₂）介電基質中嘅金納米顆粒（Au NP）夾雜物組成。呢個設計並非隨意；佢利用咗貴金屬納米顆粒嘅等離子體共振。當被陽光照射時，金納米顆粒中嘅傳導電子會集體振盪，呢種現象稱為局域表面等離子體共振（LSPR）。通過調整納米顆粒嘅尺寸、形狀同周圍介電環境（TiO₂），可以喺整個太陽光譜範圍內調諧呢種共振。二氧化鈦基質具有雙重作用：佢保護納米顆粒，並且由於其高折射率，增強咗納米顆粒周圍嘅局部電磁場，從而提高吸收率。

2.2 太陽能吸收機制

經過工程設計嘅LSPR能夠實現太陽輻照度嘅寬頻吸收。關鍵在於，吸收嘅光子能量通過超薄塗層體積內嘅非輻射衰減途徑（電子-聲子散射）迅速轉化為熱量。呢個過程將熱能集中喺表面嘅微小區域，喺冰成核開始嘅確切位置產生局部「熱點」。光學透明度（適用於擋風玻璃等應用）同光吸收（用於加熱）之間嘅平衡，係通過合理設計納米顆粒嘅密度同分佈來實現嘅。稀疏、分散良好嘅納米顆粒允許光線透射，同時仍能提供足夠嘅集體吸收以進行有效加熱。

3.1 熱性能與溫度提升

喺模擬太陽光照（1個太陽，AM 1.5G光譜）下，等離子體超表面喺空氣-塗層界面處展示出持續高於環境溫度超過10°C嘅溫度提升。呢個係一個關鍵閾值，因為佢可以顯著改變熱力學平衡，延遲過冷水滴開始結冰嘅時間。紅外熱成像（建議嘅可視化方法）會顯示，喺相同光照下，塗層表面明顯比未塗層嘅玻璃基底更暖。

3.2 冰附著力降低與結霜抑制

局部加熱直接轉化為卓越嘅拒冰性能：

• 除冰：冰附著強度降低到「可忽略嘅水平」。界面加熱喺冰-塗層界面處產生一層薄嘅準液體層，大幅降低移除冰所需嘅剪切力。
• 防冰：該表面有效抑制咗霜嘅形成。通過將界面溫度維持喺露點以上，或者喺微滴結冰前加速其蒸發，從而防止霜積聚。
• 延遲結冰：與對照表面相比，過冷水滴喺超表面上結冰嘅時間顯著延長。

4.1 數學模型與關鍵公式

性能取決於吸收太陽能功率同熱損失之間嘅平衡。表面嘅簡化穩態能量平衡可以表示為：

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

其中：
$P_{absorbed}$ 係總吸收太陽能功率。
$A$ 係受照面積。
$I_{solar}$ 係太陽輻照度。
$\alpha(\lambda)$ 係超表面嘅波長依賴吸收係數，通過LSPR進行工程設計。
$Q_{conv}$、$Q_{rad}$、$Q_{cond}$ 分別代表通過對流、輻射同傳導進入基底嘅熱損失。

由此產生嘅穩態溫升 $\Delta T$ 受淨功率同系統熱特性嘅支配。吸收係數 $\alpha(\lambda)$ 係關鍵嘅工程參數，源自複合材料嘅有效介電常數，通常使用適用於球形夾雜物嘅Maxwell-Garnett有效介質理論進行建模：

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

其中 $\epsilon_{eff}$、$\epsilon_m$ 同 $\epsilon_{NP}$ 分別係有效介質、TiO₂基質同金納米顆粒嘅介電常數，$f$ 係納米顆粒嘅體積分數。

4.2 分析框架：透明度與吸收率嘅權衡

評估呢類技術需要一個多參數框架。對於透明太陽能加熱拒冰表面，我哋必須分析兩個關鍵績效指標（KPI）之間嘅帕累托邊界：

1. KPI 1：可見光透射率（VLT，%）：喺380-750 nm範圍內測量。對於窗戶同擋風玻璃等應用至關重要。
2. KPI 2：太陽熱轉換效率（STCE，%）：入射太陽能轉化為可用界面加熱功率嘅比例。

案例示例：一個採用低體積分數（f）細小、分散良好金納米顆粒嘅設計，可能實現高VLT（例如80%），但較低STCE（例如15%），導致溫升 $\Delta T$ 僅為5°C。相反，較高嘅f或較大嘅納米顆粒會提高STCE（例如40%），但散射更多光線，使VLT降至50%，同時實現 $\Delta T$ >15°C。呢個邊界上嘅「最佳」點取決於具體應用。飛機駕駛艙窗戶可能優先考慮VLT >70%並具有適度加熱能力，而太陽能電池板蓋板可能為咗最大除冰功率（STCE >35%）而犧牲部分透明度。呢個框架迫使我哋超越單一指標，並實現有針對性嘅設計。