水-空氣-固體界面作為自然界與工程技術中普遍存在的物理現象，其特性深刻影響著電、光、熱等能量形式及信號在界面間的傳輸效率。這一界面不僅是能量與信號交互的橋梁，其性質更如同精密調控的閥門，對能量流與信號流的性質與行為產生深遠影響。在理想狀態下，能量與信號能夠自發地穿越界面，如電荷沿電場梯度定向遷移、光線穿透透明介質、熱量自然地從高溫區域流向低溫區域。然而，實際應用中，潤濕界面往往成為制約能量與信號高效傳輸的瓶頸，具體表現為電流衰減、光線散射、熱傳導效率低下等現象。因此，對界面及其潤濕性的精心設計顯得尤為關鍵。這不僅是為了克服界面障礙，減少能量與信號的損失，更是為了實現對能量與信號傳輸過程的按需調控，以滿足智能自適應設備對高效、精準能量管理的需求。通過調控界面的潤濕性，能夠精確控制界面上的能量與信號行為，為先進電子器件、光子元件及高效傳熱系統的設計與制造開辟新的途徑，推動科技進步與產業升級。
近日，深圳大學材料學院王元豐助理教授團隊圍繞纖維材料界面的潤濕改性與功能化設計開展了一系列研究，并探討了其在潤濕行為誘導的能量與信息傳遞方面的獨特潛力，有望應用于海洋能源開發與利用、海上農業、環境監測及污染治理等前沿領域。研究成果在《Adv. Mater.》《Angew.》《Adv. Funct. Mater. 》（兩篇）相繼發表，王元豐均為獨立通訊作者。以下為成果概覽：
成果一：從材料、機理、結構、應用等方面抽絲剝繭，系統總結了在潤濕界面上電、光、熱能量和信號傳輸的優化與調控，聚焦于界面潤濕調控和界面結構設計的角度，深入討論了濕伏發電、液滴摩擦電、光子晶體、自清潔、太陽光熱蒸發、液滴冷凝等與潤濕界面調控結合的意義、原理和方法，并詳細介紹了其在綠色發電、傳感、防偽、防霧、人體熱管理、海水淡化等領域的應用。
文章信息：Xiao H., Yu Z., Liang J., Ding L., Zhu J.,Wang Y.,*Chen S., Xin J. H. Wetting Behavior-Induced Interfacial transmission of Energyand Signal: Materials, Mechanisms, and Applications.Adv. Mater.2024,202407856.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407856
成果二：基于光敏材料分子尺度的梯度能級排列，并結合具有微納米尺度的分級孔結構的超浸潤木質纖維基底，構建了一種新型的多尺度層級結構的有機光催化制氫平臺。與傳統的給體-受體體系相比，該三元體系促進了電荷轉移并增強了光催化活性。同時，該平臺的潤濕層級孔結構界面賦予了其反復捕獲光能和在水面下自懸浮的能力，從而同時提高了光利用效率并減少了鹽沉積，展現出良好的耐久性。在氙燈照射下，該有機催化平臺在犧牲劑存在時的析氫速率達到165.8 mmol h?1m?2，超過了大多數報道的無機系統。在構建的可規模化系統上（1600 cm2），該平臺在連續五小時的日照內（正午時段）從海水中產生了80.6 ml m?2的氫氣。更重要的是，這種跨學科的創新方法，涵蓋了分子和微納結構兩個層面，為光催化制氫向真正應用導向型發展提供了方向。
文章信息：Zhu J., Dang J., Xiao H., Wang Y., Ding L., Zheng J., Chen J., Zhang J., Wang X., Xin H. J., Chen S.,Wang Y.*Multi-scale Hierarchical Organic Solar Catalytic Platform for Self-Suspending Sacrificial Hydrogen Production from Seawater.Angew. Chem.2024, 2412794.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202412794
成果三：針對海洋開發中淡水和能源聯合生產的需求，以及現有體系缺乏協同耦合機制以達到高效水電聯產的現狀，我們開發了一種基于聚吡咯包覆二氧化鈦納米管（PPy@TiO2NTs）的材料集成系統，該系統旨在實現太陽能驅動的電力和清潔水的聯合生產，主要工作原理包括通過水伏發電效應進行電力生產，以及通過光熱蒸發和光催化的雙重機制來生產清潔水PPy@TiO2NTs的中空纖維結構顯著增加了水流與材料界面的接觸面積，并提升了流速，從而產生了更多的雙電層（EDL），同時延緩了熱量散失，并提供了豐富的催化活性位點。另一方面， PPy@TiO2NT界面強大的分子相互作用以及吸附性和極性的提升也促進了電荷的有效轉移。因此，PPy@TiO2NT體系展現出了卓越的水伏發電和凈水生產性能。
文章信息：Xiao H., Zhu J., Ding L., Zheng J., Liu C., Du B., Chen S.,Wang Y*.Polypyrrole@TiO2 composite nanotube system with enhanced capillary fluid and charge transfer for high-current hydrovoltaic energy generation and seawater purification.Adv. Funct. Mater.2024, 2407669.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202407669
成果四：在全球人口快速增長和經濟持續發展的背景下，耕地和淡水資源的短缺已經成為我們生活中日益嚴重的問題。太陽能驅動的界面水蒸發技術，利用太陽能界面集熱的方式實現海水淡化，是最有希望獲得高質量淡水的方法之一。近年來，科研人員在光熱材料設計合成、太陽能蒸發器結構調控方面展開研究，不斷提高蒸發器的蒸發速率和太陽能-蒸汽轉換效率。其中，基于有機分子的光熱蒸發體系以其質輕、低廉及結構可調等特點受到關注，然而在面向實際應用中面臨著捕光效率低、循環性能差、易氧化失效等問題。基于此，我們提出了利用仿生界面的獨特結構和潤濕性配合有機共軛分子，實現高效捕光和循環穩定的光熱海水淡化策略，研究結果為低成本、制備簡易、抗鹽耐用的太陽能蒸發系統和海上農業提供了新的思路。研究人員受水生硅藻的啟發，通過簡單的有機合成方法得到光熱共軛分子，將光熱分子負載到了低成本的木漿海綿纖維基材上，分別構建了具有水面下懸浮機制的蒸發器。在一個標準太陽光下，蒸發器的太陽能-蒸汽轉換效率超過了88%，并且蒸發器的太陽能水蒸發效率最高達到1.62 kg m?2 h?1，這是目前基于純有機分子蒸發器的最高效率之一。
文章信息：Zhu J., Wang Y., Qiu X., Kong H., Li Y., Yan J., Zheng J., Chen S., Wang Y., andWang Y.*, Biomimetic Seawater Evaporator Based on Organic 3D Light Capture and Suspension-Protection Mechanism for In Situ Marine Cultivation.Adv. Funct. Mater.2023, 33, 2306604.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202306604
項目支持：國家自然科學基金委員會，廣東省基礎與應用基礎研究基金和深圳市科技計劃的資助
