本文綜(zong)述了近年來仿(fang)生光(guang)熱(re)管理(li)智能(neng)高分子材料(liao)(liao)的(de)(de)重要研究進(jin)展，包(bao)括具有(you)溫(wen)度自適應特(te)性(xing)的(de)(de)太陽(yang)光(guang)輻(fu)(fu)射動(dong)態(tai)調控(kong)和紅外熱(re)輻(fu)(fu)射動(dong)態(tai)調控(kong)的(de)(de)智能(neng)高分子材料(liao)(liao)。首先介紹(shao)的(de)(de)是具有(you)溫(wen)度自適應特(te)性(xing)的(de)(de)液晶和水凝膠材料(liao)(liao)在太陽(yang)光(guang)輻(fu)(fu)射動(dong)態(tai)調控(kong)方面的(de)(de)應用，然后介紹(shao)在中長紅外波段具有(you)可調發射率的(de)(de)紅外熱(re)輻(fu)(fu)射動(dong)態(tai)調控(kong)高分子材料(liao)(liao)。最后討論了仿(fang)生光(guang)熱(re)管理(li)智能(neng)高分子材料(liao)(liao)在未來發展和潛(qian)在應用方面的(de)(de)機遇和挑戰(zhan)。
具有溫(wen)度自(zi)適應(ying)特性(xing)的(de)太(tai)陽光輻射動態調控液晶(jing)材料
液晶是一種兼具液體流動性和晶體的各向異性的材料，通過改變外界刺激如光、電、熱等能夠改變自身的性質。近年來，電控調光膜已經在實際生活中應用于光熱管理如智能窗等領域。但其透明狀態需要施加電場才能維持，因此，電控調光膜不能實現真正意義上的節能。為了解決這一問題，研究人員開發了一系列具有溫度自適應特性的液晶復合材料。
北京大學楊槐教授團隊在世界上首次報道一種高分子穩定(ding)液晶材料(liao)(Polymer Stabilized Liquid Crystals, PSLC)，實現不同溫度下可見光透過率的動態調控。該 PSLC 主要由具有 SmA~N* 相轉變的液晶材料、光聚合單體、手性劑和光引發劑組成。通過 PSLC 內部形成的高分子網絡可以錨定 SmA 的取向，此時液晶處于垂直
在此基礎上，天津大學王玲教授和美國肯特州立大學李全院士等人開發了一種可自適應周圍環境的功能化石墨烯摻雜高分子穩定液晶調光薄膜，該薄膜能夠感知周圍環境溫度和紅外輻射強度的變化，從而實現其可見光透過率在透過態和光散射態之間的自動切換（如(ru)圖 1 所(suo)示(shi)）。
圖(tu)(tu) 1：(a)功(gong)能(neng)化石墨烯摻(chan)雜(za)(za)高(gao)分子穩定(ding)液(ye)晶在(zai) 700 nm 處(chu)的透過(guo)率隨溫(wen)度的變化; (b)功(gong)能(neng)化石墨烯摻(chan)雜(za)(za)高(gao)分子穩定(ding)液(ye)晶在(zai) 700 nm 處(chu)的透過(guo)率隨近(jin)紅(hong)外輻射時間的變化; (c)室溫(wen)下薄(bo)膜透明態(tai)(tai)的實(shi)物圖(tu)(tu); (d)高(gao)溫(wen)薄(bo)膜光散射態(tai)(tai)的實(shi)物圖(tu)(tu)
圖源：Materials Today, 2017, 20(5): 230-237
為了保證 PSLC 中的液晶分子在高分子網絡的錨定作用下也可以驅動，一般高分子網絡的含量都很低，這也就導致 PSLC 薄膜粘結強度低，難以實現柔性和規模化生產。為了解決這個問題，北京大學楊槐團隊在 PSLC 的基礎上結合 PDLC 中高分子含量高的特點，創造性地提出了一種高分子分散與(yu)穩定液晶(jing)（Polymer Dispersed and Stabilized Liquid Crystals, PD&SLC）共存體系（如(ru)圖 2 所示）。雖然 PD&SLC 能夠實現可見光區域透過率的有效調控，但為了進一步提高節能效率，楊槐團隊加入了 ITO(氧(yang)化銦錫)、CsxWO3（鎢酸(suan)銫）和 W-VO2（鎢摻(chan)雜二(er)氧化釩）等具有屏蔽近紅外光特性的納米粒子，這樣制備的 PD&SLC 膜在有效調控可見光的同時還能屏蔽近紅外光。有望應用在智能窗戶、汽車貼膜和航空航天等民用和軍事領域。
圖 2：(a) PD&SLC 大規模生(sheng)產示(shi)意圖; (b) PD&SLC 在透(tou)明態和散射態的實物圖
圖源：Nanoscale Horizons, 2017, 2(6): 319，Fig 2(a) ; Materials Horizons, 2017, 4 (5): 878-884.
具有溫度自適應特性的太(tai)陽(yang)光輻射動(dong)態(tai)調控水凝膠(jiao)材(cai)料
水凝膠是一種親水的聚合物網絡，在低臨界溶解溫度時，因為相變自發地改變對太陽光透過率。水凝膠被認為是一種潛在的光熱管理材料。例如，Zhou Yang 等人首次通過將聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝膠顆粒分散到水中并形成均質溶液并夾在兩層玻璃之間，開發了高儲能熱響應智能窗（HTEST 智能窗）（如圖 3 所(suo)示）。
這樣設計(ji)的(de)(de)智(zhi)能(neng)窗(chuang)不僅(jin)有(you)傳統智(zhi)能(neng)窗(chuang)調控太(tai)陽(yang)(yang)光(guang)的(de)(de)能(neng)力，還能(neng)儲(chu)存能(neng)量。在溫度(du)較(jiao)低(di)的(de)(de)夏天(tian)早上或晚(wan)上，窗(chuang)戶將保持透(tou)明的(de)(de)狀態，同時由于窗(chuang)戶的(de)(de)高儲(chu)熱(re)(re)性(xing)，外界的(de)(de)溫度(du)很難傳遞(di)到(dao)室內，此時溫度(du)會比較(jiao)低(di)。到(dao)夏天(tian)的(de)(de)中午，室外溫度(du)較(jiao)高激活了窗(chuang)戶的(de)(de)不透(tou)明模式，將散射太(tai)陽(yang)(yang)光(guang), 防止進一步加(jia)熱(re)(re)房間(jian)。在冬天(tian)的(de)(de)時候，窗(chuang)戶始終保持透(tou)明并且儲(chu)存熱(re)(re)量。
圖 3：溫度自適(shi)應太陽光輻射動態(tai)調控水凝膠材料
圖源：Joule, 2020, 4(11): 2458-2474.
紅外熱(re)輻射動(dong)態調控智(zhi)能高分(fen)子材料
一切溫度高于絕對零度的物體都在以熱輻射的形式傳遞能量，而在溫度較低的環境如地球主要以紅外線的形式傳播。紅外可以分為近紅外(wai)（0.76-1.5 μm）、短(duan)波(bo)紅外(wai)（1.5-3 μm）、中波紅外（3-8 μm）、長(chang)波紅外（8-15 μm）以及遠紅外(wai)（15-1000 μm）。根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律，熱輻射通量與溫度和發射率有關。當一個物體所處環境溫度固定時，調節發射率是實現動態調控的最佳手段。有趣的是，對自然界的許多生物如銀蟻、甲蟲、頭足類動物以及響尾蛇等而言，紅外調控對調節體溫、獲取信息、交流以及偽裝等生存之道尤為重要。
受(shou)此啟發，實(shi)現(xian)中長(chang)波紅外動態(tai)調(diao)控在航空航天技術、個人熱(re)管理(li)、輻(fu)射(she)(she)冷卻等領域(yu)(yu)均具有廣泛的(de)(de)(de)(de)應用(yong)。尤其是在光熱(re)管理(li)領域(yu)(yu)，日(ri)間被動輻(fu)射(she)(she)冷卻和輻(fu)射(she)(she)加(jia)熱(re)技術帶來(lai)了新(xin)的(de)(de)(de)(de)機遇。但(dan)是目前研(yan)(yan)究的(de)(de)(de)(de)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)發射(she)(she)率(lv)都是單一的(de)(de)(de)(de)，因此，研(yan)(yan)發能(neng)發生變化(hua)以適應環境的(de)(de)(de)(de)智能(neng)高(gao)分子(zi)材(cai)料，實(shi)現(xian)不同(tong)刺激(ji)下如(ru)溫濕度、機械力、光、電等的(de)(de)(de)(de)紅外輻(fu)射(she)(she)的(de)(de)(de)(de)動態(tai)調(diao)節(jie)對未來(lai)熱(re)管理(li)的(de)(de)(de)(de)發展具有重(zhong)大的(de)(de)(de)(de)意(yi)義。
例如，王育煌等人在纖維上涂覆碳納米管制備了一種紅外自適應紡織品，僅調整皮膚的濕度，該紡織品的紅外輻射變化率可達到 35% 以上。這種隨環境變化自適應的“門控”效應來自于相鄰涂層纖維之間的電磁耦合，當熱和潮濕的時候，相鄰纖維上的導電元素更緊密地結合在一起，電磁耦合得到了增強，從而更好地匹配人體地熱輻射，有效提高了熱交換(如圖 4 所示(shi))。
圖 4：一種(zhong)紅外(wai)自適(shi)應紡織品的設計原理
圖源(yuan)：Science, 2019, 363(6427): 619-623.
值得一提的是，除了高分子材料，無機材料如 VO2 等在紅外輻射動態調控領域也備受關注。Long 和 Wu 團隊在 Science
圖 5：(a) 夏季智能窗(chuang)戶的(de)(de)(de)工作原理(li)(li); (b) 冬季智能窗(chuang)戶的(de)(de)(de)工作原理(li)(li); (c) 輻射涂料材料的(de)(de)(de)發射率的(de)(de)(de)溫度自(zi)適應特性以及應用于(yu)家(jia)庭屋頂的(de)(de)(de)熱管(guan)理(li)(li)的(de)(de)(de)示意圖
圖源：Science, 2021, 374(6574): 1501-1504; Science, 2021, 374(6574): 1504-1509.