隨著全球熱應力加劇及環境污染問題日益嚴峻，被動輻射冷卻技術因其零能耗散熱特性，在建筑、電子、航空航天等領域備受關注。然而，傳統多層或隨機多孔結構的輻射冷卻材料面臨兩大挑戰：高溫下熱量易積聚導致性能衰減，以及機械強度不足難以滿足實際應用需求。現有自適應冷卻系統（如光敏或電控材料）雖能動態調節溫度，卻依賴復雜刺激源且存在界面粘附弱、液體泄漏等問題，嚴重制約其工程化應用。

近期，中南林業科技大學吳義強院士、何帥明教授團隊受蝴蝶翅膀分級多孔結構啟發，通過溶劑誘導自組裝策略，成功開發出一種一體化溫度自適應被動冷卻器（Bio-D cooler）。該材料將相變聚合物共價接枝于工程化木材的納米纖維素分子鏈上，形成分級多孔網絡結構，兼具高效熱調節與卓越機械性能。實驗表明：Bio-D cooler在熱沖擊下比傳統輻射冷卻材料平均降溫5°C，冷卻功率高達130.1 W/m2；其抗拉強度達42.9 MPa，為傳統動態被動冷卻器的10倍，為熱管理領域提供突破性解決方案。

仿生設計之源

研究團隊從東南亞白蝴蝶（Curétis acuta Moore）翅膀的鱗片結構中獲得關鍵靈感（圖1a）。掃描電鏡顯示，其鱗片由半管狀脊梁與互連支柱構成有序多孔層級網絡（圖2b-c）。光學模擬證實，這種結構通過米氏散射和全內反射協同作用，將太陽光反射率提升至70%（圖2d-g）。同時，脊梁結構使彈性模量周期性變化（圖2h），能量耗散強度達基底的3.5倍，賦予翅膀優異力學性能。基于此，團隊以木材為模板，復制了類似的分級孔道結構（圖1b）。

圖1 基于溶劑誘導自組裝技術的仿生一體化強韌動態被動冷卻器示意圖 (a) 蝴蝶翅膀天然分級多孔結構示意圖 (b) Bio-D冷卻器的制備流程與微觀結構：微納米多孔相變聚合物網絡嵌入定向排列的木材分級孔道中，形成人工分級多孔結構 (c) Bio-D冷卻器實物圖（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）及傳統動態被動冷卻器（如雙層動態被動膜）的控溫能力與抗拉強度對比：113.1 J/g高潛熱賦予卓越動態控溫能力，42.9 MPa抗拉強度優于傳統材料 (e) 雷達圖對比Bio-D冷卻器與傳統動態被動冷卻器（如耐熱輻射聚合物）的多性能指標，證明其在機械性能和熱調節能力上的優勢

圖2 白蝴蝶（Curetis acuta Moore）翅膀的微觀結構與光學特性 (a) 白蝴蝶標本實物圖（特征性白色外觀） (b) 翅膀多層鱗片的SEM圖像 (c) 高倍SEM揭示的分級多孔結構 (d) 分級多孔結構對蝶翅反射率的影響（大氣環境 vs 乙醇浸沒） (e) 蝶翅鱗片光散射行為的模擬模型（含典型分級孔結構） (f) 入射光波長（0.3–2.5 μm）與納米孔徑（0–550 nm）對模擬蝶翅反射率的影響 (g) 歸一化光學模型計算的非孔分級鱗片、多孔鱗片及分級多孔鱗片總反射率 (h) AFM探針垂直掃描脊狀排列以表征蝶翅鱗片彈性模量的納米級變化

一體化制備工藝與結構表征

Bio-D cooler通過三步法制備（圖3a）：首先對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，通過原位聚合與纖維素形成共價鍵（Si-O-C），化學分析顯示Si-O-C鍵特征峰（102.6 eV）證實了界面強結合（圖3c-d）；最后引入乙醇/丙酮混合溶劑誘導相分離，分子模擬揭示PEG在乙醇中結合能（3328.7 kcal/mol）顯著高于丙酮（2498.3 kcal/mol），雙溶劑濃度波動驅動形成三維多孔網絡（圖3e-h）。所得材料呈現仿生分級孔道結構（圖3b），微納米相變聚合物網絡緊密嵌于木材定向孔道中，形成一體化強化骨架。

圖3 Bio-D冷卻器的結構表征 (a) 制備流程三步驟：前體滲透→原位聚合→網絡重構 (b) Bio-D冷卻器的分級多孔結構SEM圖 (c,d) Bio-D冷卻器與天然木材、脫木素木材、PEG、PGS的化學結構對比，證實纖維素鏈與相變前體通過共價鍵原位聚合 (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濃度分布

熱-光協同調控機制

Bio-D cooler創新融合輻射冷卻與相變儲熱雙功能（圖4a）。其相變材料熔融焓達113.1 J/g，可在47.2–56.1°C區間動態吸放熱（圖4b）；同時分級多孔結構實現93.4%可見光反射率（凍結態）和90.2%中紅外發射率（圖4c-d），關鍵孔徑分布（43.6%<1.0 μm，56.2%<2.5 μm）精準匹配太陽光譜（0.3–2.5 μm），通過米氏散射最大化太陽反射（圖4e）。協同效應使冷卻功率峰值達130.1 W/m2（圖4f），共價交聯網絡更將熱分解溫度提升至408°C（圖4g），200次熱循環后相變焓保持率超96.7%。

圖4 Bio-D冷卻器的光學與熱學特性 (a) 通過輻射冷卻和潛熱存儲/釋放實現熱管理機制 (b) 相變焓值測量：凍結轉變113.1 J/g，熔融轉變111.8 J/g (c) 脫木素木材與Bio-D冷卻器在相變過程中的光學性能 (d) 相變期間Bio-D冷卻器與PGS反射光譜對比（分級多孔光子結構顯著提升太陽反射率） (e) Bio-D冷卻器孔徑分布（主區間0.1–2.5 μm） (f) 理論冷卻功率峰值達130.1 W/m2 (g) PGS、脫木素木材與Bio-D冷卻器的熱穩定性（峰值降解溫度408°C）

實測性能與應用驗證

在多重熱環境測試中（圖5a-c），Bio-D cooler面對100°C加熱器與1000 W/m2光照時，溫度較傳統輻射材料低5°C，較純相變材料低20°C，相變平臺（45–50°C）有效抑制溫升。24小時戶外監測顯示（圖5d-e），其動態調節特性突出：長沙夏季午間最大亞環境降溫9.2°C，而夜間溫度更高（較傳統材料溫差減少1.6°C），實現"按需降溫"。建筑節能模擬表明（圖5f-g），哈爾濱嚴寒地區節能率高達23.8%，廣州濕熱地區為3.9%。機械性能上，一體化結構賦予42.9 MPa抗拉強度（圖5h-j）和31.5 MPa彎曲強度，50次應力循環后仍保持穩定。

圖5 Bio-D冷卻器的冷卻性能與機械性能 (a-c) 多重熱環境下（1000 W/m2模擬太陽輻射+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 (d,e) 中國長沙24小時溫變監測：Bio-D冷卻器、脫木素木材與環境溫度及其溫差 (f) 五種氣候區城市建筑模型年能耗對比（使用/未使用冷卻器） (g) 五城市節能潛力模擬（嚴寒地區最高節能率24%） (h,i) PGS與Bio-D冷卻器的抗拉強度及模量 (j) Bio-D冷卻器與傳統輻射冷卻聚合物、相變聚合物及動態被動冷卻器的抗拉強度對比

總結與展望

Bio-D cooler通過仿生分級多孔結構與一體化共價交聯設計，解決了傳統被動冷卻材料的動態適應性、機械強度及泄漏難題。其溫度自適應特性（夏季午間降溫4.9°C、夜間僅1.6°C）顯著提升能效比，結合每公斤22.7美元的低成本與可擴展制造工藝（單根原木可產392.7 m2材料），在戶外裝備、工業建筑及電池熱管理領域具有廣闊應用前景。未來研究將聚焦于復雜氣候環境下的長期穩定性優化及產業化生產挑戰。

來源：高分子科學前沿

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