【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學賀志遠教授的團隊在《Nature Communications》發(fā)表題為"Chromatic forecasting hydrogels for anti-icing applications"的研究論文，開發(fā)了一種基于冰核蛋白(INPs)和聚集誘導發(fā)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(xiàn)結冰事件發(fā)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(xiàn)出獨特的應用價值。
 

　　結冰現(xiàn)象對風力發(fā)電、電網(wǎng)設施和交通系統(tǒng)會造成嚴重影響，可能導致能源消耗、經(jīng)濟損失和安全問題。現(xiàn)有防冰技術主要集中在防/除冰設備和材料的開發(fā)上，而對結冰預測機制的研究相對不足。傳統(tǒng)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(huán)境參數(shù)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(shù)據(jù)建模預測的準確率不足。受自然界耐寒生物通過其體內(nèi)產(chǎn)生的冰成核蛋白(INPs)調(diào)控細胞外結晶獨特機制的啟發(fā)，本研究創(chuàng)新設計了一種基于冰核蛋白(INPs)來達到比外界大環(huán)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(diào)控INPs含量，可以在-6至-28°C的寬溫度范圍內(nèi)精確預測結冰時間，并利用聚集誘導發(fā)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(nèi)使風力發(fā)電機凈增發(fā)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(xiàn)象實現(xiàn)凍結過程的可視化監(jiān)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(nèi)即發(fā)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(wěn)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(fā)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(wěn)態(tài)熒光光譜顯示，凍結狀態(tài)下添加了這些AIEgens的水凝膠IFH-R、IFH-Y、IFH-G和IFH-B的發(fā)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(fā)光，而在-30 ℃凍結后熒光顯著增強，證實了結冰誘導發(fā)光現(xiàn)象。因此通過調(diào)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(fā)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(diào)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(xiàn)了-13.9 ℃至-6.3 ℃的成核溫度調(diào)控范圍。研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)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(diào)控能力。這種精確的溫度調(diào)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(xiàn)寬溫度窗口成核溫度主動調(diào)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(fā)了一種采用光纖傳輸?shù)娜嵝浴⑽⑿汀⒓苫Y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(fā)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(huán)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(fā)生凍結并發(fā)出特定波長的熒光(藍光、綠光和紅光)，從而產(chǎn)生多級光學警示信號。該裝置將水凝膠器件與光學系統(tǒng)結合，通過光纖光譜儀監(jiān)測熒光信號變化，并將熒光信號轉換為電信號，從而可根據(jù)預設的程序來觸發(fā)除冰系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)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(fā)電機上的實際應用效果。通過在風力發(fā)電機上的實地測試表明，該器件可在結冰前發(fā)出可檢測到的預警信號，使配備IFH裝置的風力發(fā)電機相較于對照組提前70分鐘啟動電熱膜除冰系統(tǒng)，在易結冰條件下的2小時內(nèi)凈發(fā)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(fā)電機上的實際應用驗證。
 

　　本研究開發(fā)的IFH裝置通過仿生設計和材料創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)技術只能在結冰后檢測的局限，實現(xiàn)了結冰事件的精準預測和可視化監(jiān)測，從被動應對轉變?yōu)橹鲃宇A防。顏色編碼系統(tǒng)的引入使得不同危險等級的結冰情況得以區(qū)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(huán)境等特點，在凍雨、低溫等實際工況下展現(xiàn)出可靠的預警性能和長期穩(wěn)定性，其在風力發(fā)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(wǎng)設施、交通運輸?shù)榷鄠€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。