苏州纳米所王锦等在自适应热管理方面取得系列进展

无源自适应热管理技术（Passive self-adaptive thermal management）是一种无需外界能源驱动、通过材料自身理化性能调控和设计即可实现环境响应热管理行为的技术，包括自适应降温和保温等,在极端环境人体热管理（Personal thermal management, PTM）、建筑无源调温系统以及碳减排方面具有潜在的应用价值。为此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦等通过凝胶、气凝胶及其复合结构设计，实现了系列耐极端环境复合材料的制备、气凝胶温度开关、跨介质热管理（Cross media thermal management, CMTM）、按需热管理（On-demand）、高低温双向调控等(Adv. Mater. 2023, 35, 2207638; Adv. Funct. Mater. 2023, 2300441; Macromol. Rapid Commun. 2023, 44, 2200948; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 46569; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 44849; Adv. Sci. 2022, 9, 2201190; ACS Nano 2021, 15, 19771)，撰写了基于环糊精分子的高分子设计合成策略及其在多孔材料气凝胶构筑方面独特优势的综述文章（Prog. Polym. Sci. 2021, 118, 101408）。

集超低密度和极低热导率于一体的气凝胶在热管理调控材料中具有独特的优势，然而，超细单分散氧化硅气凝胶微球的常压干燥制备一直是本领域面临的关键技术瓶颈，通过传统的表面活性剂和乳液聚合等方面都面临球形度低、粒径大、粒径分布宽等问题。为此，通过前驱体的水解度调控和复合溶剂的策略，成功实现了超细单分散氧化硅气凝胶微球的一步法常压干燥，得到的气凝胶微球的粒径分布主要分布在1～3 μm，可以有效地散射太阳光，减少太阳辐射加热（图1）。

图1. 气凝胶微球的制备示意图、形貌表征以及与商用气凝胶的光学性能对比

进一步通过调控气凝胶微球的粒径大小及其分布、颜色，以及采用不同红外发射率的聚合物薄膜对气凝胶进行封装，成功实现了自适应的保温或降温，通过模拟计算使用该氧化硅气凝胶前后用于建筑供暖和冷却排放的CO₂的当量，可以发现在全球大部分气候下，氧化硅气凝胶微球的使用可以显著降低CO₂的排放（图2），对助力碳减排具有一定的贡献。该工作近期以Ultrafine silica aerogels microspheres for adaptive thermal management in large-temperature-fluctuation environment为题发表在Chemical Engineering Journal。论文第一作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室博士生刘玲，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦项目研究员和李清文研究员。

图2. 气凝胶微球用于建筑热管理领域可以节省的二氧化碳排放量对比

此外，气凝胶通常被认为具有优异的隔热保温性能，然而本研究团队发现，由于氧化硅气凝胶在8-13微米波段具有高的选择性发射率，因此其在户外环境表现出强劲的被动无源辐射降温（Passive radiative cooling, PRC）现象。那么，辐射降温是气凝胶的普适现象吗？为了回答这一问题，研究者合成了具有不同化学组分（氧化硅、氮化硼、石墨烯、凯夫拉、PBO、聚酰亚胺）的气凝胶，以及具有不同微观形貌（包括纳米颗粒网络、纳米纤维网络、纳米片网络和纳米带状网络等）。结果一致发现，所有的气凝胶在晴朗的夜间都表现出显著的辐射降温性能。该结果表明，如果气凝胶用于人体热管理，在户外活动时，必须考虑辐射降温对气凝胶隔热保温的影响，否则达不到理想的热管理目标（图3）。该工作近期以Universal passive radiative cooling behavior of aerogels为题发表在Journal Materials Chemistry A，并入选了Journal of Materials Chemistry A HOT Papers。论文第一作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室硕士生马冰洁，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦项目研究员。

图3. 用于辐射降温的气凝胶及其人体热管理调控示意图

对于严寒环境下的人体保暖，如何实现轻薄化是人们不断追求的良好愿望。虽然采用优质的羽绒可以实现保暖服的轻质化，然而通常面临蓬松臃肿、易燃烧等问题。为此，采用具有耐1300℃高温的柔性氧化铝陶瓷织物为基底，通过原位聚合聚吡咯制备核-壳的功能织物，不但具有优异的阻燃和耐极端高温性能，还能在不同气候状态下，将太阳光快速转化成热量，实现人体的被动太阳光供暖（passive solar heating）（图4）。由于聚吡咯具有导电性，该织物又表现出优异的电加热性能（active joule heating），在3V电压的驱动下温度能在数秒内升高至32℃，通过电压的调节，其具有稳定的梯度温度调节能力。该双功能主被动供暖织物，为实现极寒环境下人体热防护的轻薄化提供重要支撑。该工作近期以Conformal Structured Ceramic Textiles with Passive and Active Heating Functionality为题发表在ACS Applied Engineering Materials。论文第一作者为南京理工大学与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所联合培养硕士生商苗苗和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生刘玲，通讯作者为南京理工大学环境学院张轩教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦项目研究员。

图4. 阻热主被动供暖织物应用原理示意图、合成路线示意图及其实物照片