水-空气-固体界面作为自然界与工程技术中普遍存在的物理现象，其特性深刻影响着电、光、热等能量形式及信号在界面间的传输效率。这一界面不仅是能量与信号交互的桥梁，其性质更如同精密调控的阀门，对能量流与信号流的性质与行为产生深远影响。在理想状态下，能量与信号能够自发地穿越界面，如电荷沿电场梯度定向迁移、光线穿透透明介质、热量自然地从高温区域流向低温区域。然而，实际应用中，润湿界面往往成为制约能量与信号高效传输的瓶颈，具体表现为电流衰减、光线散射、热传导效率低下等现象。因此，对界面及其润湿性的精心设计显得尤为关键。这不仅是为了克服界面障碍，减少能量与信号的损失，更是为了实现对能量与信号传输过程的按需调控，以满足智能自适应设备对高效、精准能量管理的需求。通过调控界面的润湿性，我们能够精确控制界面上的能量与信号行为，为先进电子器件、光子元件及高效传热系统的设计与制造开辟新的途径，推动科技进步与产业升级。
近日，深圳大学材料学院王元丰助理教授团队围绕纤维材料界面的润湿改性与功能化设计开展了一系列研究，并探讨了其在润湿行为诱导的能量与信息传递方面的独特潜力，有望应用于海洋能源开发与利用、海上农业、环境监测及污染治理等前沿领域。研究成果在《Adv. Mater.》、《Angew.》、《Adv. Funct. Mater. 》（两篇）相继发表，王元丰均为独立通讯作者。以下为成果概览：
成果一：从材料、机理、结构、应用等方面抽丝剥茧，系统总结了在润湿界面上电、光、热能量和信号传输的优化与调控，聚焦于界面润湿调控和界面结构设计的角度，深入讨论了湿伏发电、液滴摩擦电、光子晶体、自清洁、太阳光热蒸发、液滴冷凝等与润湿界面调控结合的意义、原理和方法，并详细介绍了其在绿色发电、传感、防伪、防雾、人体热管理、海水淡化等领域的应用。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.
论文链接：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级排列，并结合具有微纳米尺度的分级孔结构的超浸润木质纤维基底，构建了一种新型的多尺度层级结构的有机光催化制氢平台。与传统的给体-受体体系相比，该三元体系促进了电荷转移并增强了光催化活性。同时，该平台的润湿层级孔结构界面赋予了其反复捕获光能和在水面下自悬浮的能力，从而同时提高了光利用效率并减少了盐沉积，展现出良好的耐久性。在氙灯照射下，该有机催化平台在牺牲剂存在时的析氢速率达到165.8 mmol h−1m−2，超过了大多数报道的无机系统。在构建的可规模化系统上（1600 cm2），该平台在连续五小时的日照内（正午时段）从海水中产生了80.6 ml m−2的氢气。更重要的是，这种跨学科的创新方法，涵盖了分子和微纳结构两个层面，为光催化制氢向真正应用导向型发展提供了方向。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.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202412794
成果三：针对海洋开发中淡水和能源联合生产的需求，以及现有体系缺乏协同耦合机制以达到高效水电联产的现状，我们开发了一种基于聚吡咯包覆二氧化钛纳米管（PPy@TiO2NTs）的材料集成系统，该系统旨在实现太阳能驱动的电力和清洁水的联合生产，主要工作原理包括通过水伏发电效应进行电力生产，以及通过光热蒸发和光催化的双重机制来生产清洁水PPy@TiO2NTs的中空纤维结构显著增加了水流与材料界面的接触面积，并提升了流速，从而产生了更多的双电层（EDL），同时延缓了热量散失，并提供了丰富的催化活性位点。另一方面， PPy@TiO2NT界面强大的分子相互作用以及吸附性和极性的提升也促进了电荷的有效转移。因此，PPy@TiO2NT体系展现出了卓越的水伏发电和净水生产性能。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.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202407669
成果四：在全球人口快速增长和经济持续发展的背景下，耕地和淡水资源的短缺已经成为我们生活中日益严重的问题。太阳能驱动的界面水蒸发技术，利用太阳能界面集热的方式实现海水淡化，是最有希望获得高质量淡水的方法之一。近年来，科研人员在光热材料设计合成、太阳能蒸发器结构调控方面展开研究，不断提高蒸发器的蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率。其中，基于有机分子的光热蒸发体系以其质轻、低廉及结构可调等特点受到关注，然而在面向实际应用中面临着捕光效率低、循环性能差、易氧化失效等问题。基于此，我们提出了利用仿生界面的独特结构和润湿性配合有机共轭分子，实现高效捕光和循环稳定的光热海水淡化策略，研究结果为低成本、制备简易、抗盐耐用的太阳能蒸发系统和海上农业提供了新的思路。研究人员受水生硅藻的启发，通过简单的有机合成方法得到光热共轭分子，将光热分子负载到了低成本的木浆海绵纤维基材上，分别构建了具有水面下悬浮机制的蒸发器。在一个标准太阳光下，蒸发器的太阳能-蒸汽转换效率超过了88%，并且蒸发器的太阳能水蒸发效率最高达到1.62 kg m−2 h−1，这是目前基于纯有机分子蒸发器的最高效率之一。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.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202306604
项目支持：国家自然科学基金委员会，广东省基础与应用基础研究基金和深圳市科技计划的资助
