隨著全球熱應(yīng)力加劇及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)因其零能耗散熱特性，在建筑、電子、航空航天等領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)多層或隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)的輻射冷卻材料面臨兩大挑戰(zhàn)：高溫下熱量易積聚導(dǎo)致性能衰減，以及機(jī)械強(qiáng)度不足難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。現(xiàn)有自適應(yīng)冷卻系統(tǒng)（如光敏或電控材料）雖能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)溫度，卻依賴(lài)復(fù)雜刺激源且存在界面粘附弱、液體泄漏等問(wèn)題，嚴(yán)重制約其工程化應(yīng)用。

近期，中南林業(yè)科技大學(xué)吳義強(qiáng)院士、何帥明教授團(tuán)隊(duì)受蝴蝶翅膀分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過(guò)溶劑誘導(dǎo)自組裝策略，成功開(kāi)發(fā)出一種一體化溫度自適應(yīng)被動(dòng)冷卻器（Bio-D cooler）。該材料將相變聚合物共價(jià)接枝于工程化木材的納米纖維素分子鏈上，形成分級(jí)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兼具高效熱調(diào)節(jié)與卓越機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)表明：Bio-D cooler在熱沖擊下比傳統(tǒng)輻射冷卻材料平均降溫5°C，冷卻功率高達(dá)130.1 W/m²；其抗拉強(qiáng)度達(dá)42.9 MPa，為傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器的10倍，為熱管理領(lǐng)域提供突破性解決方案。

仿生設(shè)計(jì)之源

研究團(tuán)隊(duì)從東南亞白蝴蝶（Curétis acuta Moore）翅膀的鱗片結(jié)構(gòu)中獲得關(guān)鍵靈感（圖1a）。掃描電鏡顯示，其鱗片由半管狀脊梁與互連支柱構(gòu)成有序多孔層級(jí)網(wǎng)絡(luò)（圖2b-c）。光學(xué)模擬證實(shí)，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)米氏散射和全內(nèi)反射協(xié)同作用，將太陽(yáng)光反射率提升至70%（圖2d-g）。同時(shí)，脊梁結(jié)構(gòu)使彈性模量周期性變化（圖2h），能量耗散強(qiáng)度達(dá)基底的3.5倍，賦予翅膀優(yōu)異力學(xué)性能。基于此，團(tuán)隊(duì)以木材為模板，復(fù)制了類(lèi)似的分級(jí)孔道結(jié)構(gòu)（圖1b）。

圖1 基于溶劑誘導(dǎo)自組裝技術(shù)的仿生一體化強(qiáng)韌動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器示意圖 (a) 蝴蝶翅膀天然分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)示意圖 (b) Bio-D冷卻器的制備流程與微觀(guān)結(jié)構(gòu)：微納米多孔相變聚合物網(wǎng)絡(luò)嵌入定向排列的木材分級(jí)孔道中，形成人工分級(jí)多孔結(jié)構(gòu) (c) Bio-D冷卻器實(shí)物圖（尺寸：600 × 200 × 2 mm） (d) Bio-D冷卻器與普通輻射冷卻器（如輻射織物、水凝膠）及傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器（如雙層動(dòng)態(tài)被動(dòng)膜）的控溫能力與抗拉強(qiáng)度對(duì)比：113.1 J/g高潛熱賦予卓越動(dòng)態(tài)控溫能力，42.9 MPa抗拉強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)材料 (e) 雷達(dá)圖對(duì)比Bio-D冷卻器與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器（如耐熱輻射聚合物）的多性能指標(biāo)，證明其在機(jī)械性能和熱調(diào)節(jié)能力上的優(yōu)勢(shì)

圖2 白蝴蝶（Curetis acuta Moore）翅膀的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性 (a) 白蝴蝶標(biāo)本實(shí)物圖（特征性白色外觀(guān)） (b) 翅膀多層鱗片的SEM圖像 (c) 高倍SEM揭示的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu) (d) 分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)對(duì)蝶翅反射率的影響（大氣環(huán)境 vs 乙醇浸沒(méi)） (e) 蝶翅鱗片光散射行為的模擬模型（含典型分級(jí)孔結(jié)構(gòu)） (f) 入射光波長(zhǎng)（0.3–2.5 μm）與納米孔徑（0–550 nm）對(duì)模擬蝶翅反射率的影響 (g) 歸一化光學(xué)模型計(jì)算的非孔分級(jí)鱗片、多孔鱗片及分級(jí)多孔鱗片總反射率 (h) AFM探針垂直掃描脊?fàn)钆帕幸员碚鞯狩[片彈性模量的納米級(jí)變化

一體化制備工藝與結(jié)構(gòu)表征

Bio-D cooler通過(guò)三步法制備（圖3a）：首先對(duì)木材脫木素處理暴露纖維素活性羥基；隨后將硅烷化聚乙二醇（PEG）注入孔道，通過(guò)原位聚合與纖維素形成共價(jià)鍵（Si-O-C），化學(xué)分析顯示Si-O-C鍵特征峰（102.6 eV）證實(shí)了界面強(qiáng)結(jié)合（圖3c-d）；最后引入乙醇/丙酮混合溶劑誘導(dǎo)相分離，分子模擬揭示PEG在乙醇中結(jié)合能（3328.7 kcal/mol）顯著高于丙酮（2498.3 kcal/mol），雙溶劑濃度波動(dòng)驅(qū)動(dòng)形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)（圖3e-h）。所得材料呈現(xiàn)仿生分級(jí)孔道結(jié)構(gòu)（圖3b），微納米相變聚合物網(wǎng)絡(luò)緊密嵌于木材定向孔道中，形成一體化強(qiáng)化骨架。

圖3 Bio-D冷卻器的結(jié)構(gòu)表征 (a) 制備流程三步驟：前體滲透→原位聚合→網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) (b) Bio-D冷卻器的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)SEM圖 (c,d) Bio-D冷卻器與天然木材、脫木素木材、PEG、PGS的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)比，證實(shí)纖維素鏈與相變前體通過(guò)共價(jià)鍵原位聚合 (e,f) 相變材料在乙醇/丙酮溶劑中分子相互作用的RDG模擬 (g) 相變分子與乙醇（3328.7 kcal/mol）、丙酮（2498.3 kcal/mol）的分子結(jié)合能 (h) 相變材料在丙酮體系及乙醇/丙酮雙體系中的三維方向相對(duì)濃度分布

熱-光協(xié)同調(diào)控機(jī)制

Bio-D cooler創(chuàng)新融合輻射冷卻與相變儲(chǔ)熱雙功能（圖4a）。其相變材料熔融焓達(dá)113.1 J/g，可在47.2–56.1°C區(qū)間動(dòng)態(tài)吸放熱（圖4b）；同時(shí)分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)93.4%可見(jiàn)光反射率（凍結(jié)態(tài)）和90.2%中紅外發(fā)射率（圖4c-d），關(guān)鍵孔徑分布（43.6%<1.0 μm，56.2%<2.5 μm）精準(zhǔn)匹配太陽(yáng)光譜（0.3–2.5 μm），通過(guò)米氏散射最大化太陽(yáng)反射（圖4e）。協(xié)同效應(yīng)使冷卻功率峰值達(dá)130.1 W/m²（圖4f），共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更將熱分解溫度提升至408°C（圖4g），200次熱循環(huán)后相變焓保持率超96.7%。

圖4 Bio-D冷卻器的光學(xué)與熱學(xué)特性 (a) 通過(guò)輻射冷卻和潛熱存儲(chǔ)/釋放實(shí)現(xiàn)熱管理機(jī)制 (b) 相變焓值測(cè)量：凍結(jié)轉(zhuǎn)變113.1 J/g，熔融轉(zhuǎn)變111.8 J/g (c) 脫木素木材與Bio-D冷卻器在相變過(guò)程中的光學(xué)性能 (d) 相變期間Bio-D冷卻器與PGS反射光譜對(duì)比（分級(jí)多孔光子結(jié)構(gòu)顯著提升太陽(yáng)反射率） (e) Bio-D冷卻器孔徑分布（主區(qū)間0.1–2.5 μm） (f) 理論冷卻功率峰值達(dá)130.1 W/m² (g) PGS、脫木素木材與Bio-D冷卻器的熱穩(wěn)定性（峰值降解溫度408°C）

實(shí)測(cè)性能與應(yīng)用驗(yàn)證

在多重?zé)岘h(huán)境測(cè)試中（圖5a-c），Bio-D cooler面對(duì)100°C加熱器與1000 W/m²光照時(shí)，溫度較傳統(tǒng)輻射材料低5°C，較純相變材料低20°C，相變平臺(tái)（45–50°C）有效抑制溫升。24小時(shí)戶(hù)外監(jiān)測(cè)顯示（圖5d-e），其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性突出：長(zhǎng)沙夏季午間最大亞環(huán)境降溫9.2°C，而夜間溫度更高（較傳統(tǒng)材料溫差減少1.6°C），實(shí)現(xiàn)"按需降溫"。建筑節(jié)能模擬表明（圖5f-g），哈爾濱嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能率高達(dá)23.8%，廣州濕熱地區(qū)為3.9%。機(jī)械性能上，一體化結(jié)構(gòu)賦予42.9 MPa抗拉強(qiáng)度（圖5h-j）和31.5 MPa彎曲強(qiáng)度，50次應(yīng)力循環(huán)后仍保持穩(wěn)定。

圖5 Bio-D冷卻器的冷卻性能與機(jī)械性能 (a-c) 多重?zé)岘h(huán)境下（1000 W/m²模擬太陽(yáng)輻射+100°C恒溫加熱器）Bio-D冷卻器、PGS和脫木素木材的600秒溫變曲線(xiàn) (d,e) 中國(guó)長(zhǎng)沙24小時(shí)溫變監(jiān)測(cè)：Bio-D冷卻器、脫木素木材與環(huán)境溫度及其溫差 (f) 五種氣候區(qū)城市建筑模型年能耗對(duì)比（使用/未使用冷卻器） (g) 五城市節(jié)能潛力模擬（嚴(yán)寒地區(qū)最高節(jié)能率24%） (h,i) PGS與Bio-D冷卻器的抗拉強(qiáng)度及模量 (j) Bio-D冷卻器與傳統(tǒng)輻射冷卻聚合物、相變聚合物及動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器的抗拉強(qiáng)度對(duì)比

總結(jié)與展望

Bio-D cooler通過(guò)仿生分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)與一體化共價(jià)交聯(lián)設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)被動(dòng)冷卻材料的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性、機(jī)械強(qiáng)度及泄漏難題。其溫度自適應(yīng)特性（夏季午間降溫4.9°C、夜間僅1.6°C）顯著提升能效比，結(jié)合每公斤22.7美元的低成本與可擴(kuò)展制造工藝（單根原木可產(chǎn)392.7 m²材料），在戶(hù)外裝備、工業(yè)建筑及電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來(lái)研究將聚焦于復(fù)雜氣候環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?xún)?yōu)化及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)挑戰(zhàn)。