【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)賀志遠(yuǎn)教授的團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》發(fā)表題為"Chromatic forecasting hydrogels for anti-icing applications"的研究論文，開(kāi)發(fā)了一種基于冰核蛋白(INPs)和聚集誘導(dǎo)發(fā)光分子(AIEgens)的結(jié)冰預(yù)警水凝膠(IFH)器件。該器件通過(guò)提前結(jié)冰和顏色編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)冰事件發(fā)生時(shí)間的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，從而進(jìn)行有效的防/除冰措施，并在風(fēng)電領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。
 

　　結(jié)冰現(xiàn)象對(duì)風(fēng)力發(fā)電、電網(wǎng)設(shè)施和交通系統(tǒng)會(huì)造成嚴(yán)重影響，可能導(dǎo)致能源消耗、經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題。現(xiàn)有防冰技術(shù)主要集中在防/除冰設(shè)備和材料的開(kāi)發(fā)上，而對(duì)結(jié)冰預(yù)測(cè)機(jī)制的研究相對(duì)不足。傳統(tǒng)方法難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)固體表面的冰晶形成時(shí)間，這主要?dú)w因于冰核過(guò)程的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，結(jié)冰過(guò)程受多種環(huán)境參數(shù)影響，不同地理、氣象和物理?xiàng)l件下的結(jié)冰情況差異顯著，僅依靠氣象數(shù)據(jù)建模預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率不足。受自然界耐寒生物通過(guò)其體內(nèi)產(chǎn)生的冰成核蛋白(INPs)調(diào)控細(xì)胞外結(jié)晶獨(dú)特機(jī)制的啟發(fā)，本研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種基于冰核蛋白(INPs)來(lái)達(dá)到比外界大環(huán)境提前一段時(shí)間結(jié)冰的效果，制備了一種結(jié)冰預(yù)警水凝膠器件。通過(guò)調(diào)控INPs含量，可以在-6至-28°C的寬溫度范圍內(nèi)精確預(yù)測(cè)結(jié)冰時(shí)間，并利用聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)分子的特殊功能進(jìn)行可視化預(yù)警，從而有效地提前開(kāi)啟加熱除冰措施，在2小時(shí)內(nèi)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)凈增發(fā)電量約 1898 kWh。
 

　　圖1展示了IFH裝置的仿生設(shè)計(jì)原理。研究團(tuán)隊(duì)利用INPs加速水凝膠的凍結(jié)，并通過(guò)AIEgens的特殊的聚集誘導(dǎo)熒光現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)凍結(jié)過(guò)程的可視化監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)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(jié)，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(guò)100次獨(dú)立凍結(jié)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。
 

圖1 仿生結(jié)冰預(yù)警器件的設(shè)計(jì)與功能。
 

　　通過(guò)深入研究AIEgens的結(jié)冰誘導(dǎo)發(fā)光特性，基于四苯乙烯衍生物構(gòu)建了多色分級(jí)可視化結(jié)冰熒光信號(hào)。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(duì)應(yīng)藍(lán)、綠、黃和紅色熒光。穩(wěn)態(tài)熒光光譜顯示，凍結(jié)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(jié)的IFH-A幾乎不顯示熒光強(qiáng)度。結(jié)合低溫顯微觀測(cè)進(jìn)一步證明了AIE 分子會(huì)富集在冰-水界面，這些分子未結(jié)冰時(shí)幾乎不發(fā)光，而在-30 ℃凍結(jié)后熒光顯著增強(qiáng)，證實(shí)了結(jié)冰誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象。因此通過(guò)調(diào)控AIE分子結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建了藍(lán)-綠-紅三色為主的分級(jí)預(yù)警可視化信號(hào)。
 

　　圖2 AIE分子的凍結(jié)誘導(dǎo)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(duì)冰核溫度(TIN)的影響。通過(guò)精確控制高活性冰成核蛋白(INPs)的濃度(10 -11 mg/mL ~1 mg/mL)，實(shí)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(guò)調(diào)節(jié)INPs濃度可以精確控制TIN，差示掃描量熱法(DSC)測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)了INPs對(duì)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(jí)預(yù)警提供了時(shí)間窗口保障。同時(shí)探究了水凝膠結(jié)冰溫度的多重影響因素(水凝膠含水量、AIE 分子結(jié)構(gòu)、降溫速率等)，最終實(shí)現(xiàn)寬溫度窗口成核溫度主動(dòng)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(chǔ)上，研發(fā)了一種采用光纖傳輸?shù)娜嵝浴⑽⑿汀⒓苫Y(jié)冰預(yù)警水凝膠(IFH)器件，圖4展示了IFH器件的集成設(shè)計(jì)和工作原理。該器件的關(guān)鍵部件由三塊功能化聚丙烯酰胺水凝膠構(gòu)成，每塊水凝膠中分別摻入了具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性(AIE)的不同分子(TPP-Na、TPE-Na?、TVP)，并對(duì)應(yīng)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(diǎn)，相應(yīng)的水凝膠會(huì)依次發(fā)生凍結(jié)并發(fā)出特定波長(zhǎng)的熒光(藍(lán)光、綠光和紅光)，從而產(chǎn)生多級(jí)光學(xué)警示信號(hào)。該裝置將水凝膠器件與光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合，通過(guò)光纖光譜儀監(jiān)測(cè)熒光信號(hào)變化，并將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而可根據(jù)預(yù)設(shè)的程序來(lái)觸發(fā)除冰系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(yù)警時(shí)間。
 

圖4 IFH器件的集成及其結(jié)冰預(yù)警時(shí)間探究。
 

　　圖5驗(yàn)證了IFH裝置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的實(shí)地測(cè)試表明，該器件可在結(jié)冰前發(fā)出可檢測(cè)到的預(yù)警信號(hào)，使配備IFH裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相較于對(duì)照組提前70分鐘啟動(dòng)電熱膜除冰系統(tǒng)，在易結(jié)冰條件下的2小時(shí)內(nèi)凈發(fā)電量相較于對(duì)照組提升1898 kWh。同時(shí)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。
 

　　本研究開(kāi)發(fā)的IFH裝置通過(guò)仿生設(shè)計(jì)和材料創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)技術(shù)只能在結(jié)冰后檢測(cè)的局限，實(shí)現(xiàn)了結(jié)冰事件的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和可視化監(jiān)測(cè)，從被動(dòng)應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)防。顏色編碼系統(tǒng)的引入使得不同危險(xiǎn)等級(jí)的結(jié)冰情況得以區(qū)分，為主動(dòng)式除冰技術(shù)提供了可靠的時(shí)間窗口。結(jié)冰預(yù)警水凝膠器件具有體積小、響應(yīng)快、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)，在凍雨、低溫等實(shí)際工況下展現(xiàn)出可靠的預(yù)警性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的成功應(yīng)用證明了該技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。該技術(shù)有望擴(kuò)展到電網(wǎng)設(shè)施、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)防冰應(yīng)用場(chǎng)景，為解決結(jié)冰災(zāi)害提供新的技術(shù)方案，也為智能材料在災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。