本文綜述了近年來(lái)仿生光熱管理智能高分子材料的重要研究進(jìn)展，包括具有溫度自適應(yīng)特性的太陽(yáng)光輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控和紅外熱輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控的智能高分子材料。首先介紹的是具有溫度自適應(yīng)特性的液晶和水凝膠材料在太陽(yáng)光輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控方面的應(yīng)用，然后介紹在中長(zhǎng)紅外波段具有可調(diào)發(fā)射率的紅外熱輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控高分子材料。最后討論了仿生光熱管理智能高分子材料在未來(lái)發(fā)展和潛在應(yīng)用方面的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
具有溫度自適應(yīng)特性的太陽(yáng)光輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控液晶材料
液晶是一種兼具液體流動(dòng)性和晶體的各向異性的材料，通過(guò)改變外界刺激如光、電、熱等能夠改變自身的性質(zhì)。近年來(lái)，電控調(diào)光膜已經(jīng)在實(shí)際生活中應(yīng)用于光熱管理如智能窗等領(lǐng)域。但其透明狀態(tài)需要施加電場(chǎng)才能維持，因此，電控調(diào)光膜不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。為了解決這一問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了一系列具有溫度自適應(yīng)特性的液晶復(fù)合材料。
北京大學(xué)楊槐教授團(tuán)隊(duì)在世界上首次報(bào)道一種高分子穩(wěn)定液晶材料(Polymer Stabilized Liquid Crystals, PSLC)，實(shí)現(xiàn)不同溫度下可見(jiàn)光透過(guò)率的動(dòng)態(tài)調(diào)控。該 PSLC 主要由具有 SmA~N* 相轉(zhuǎn)變的液晶材料、光聚合單體、手性劑和光引發(fā)劑組成。通過(guò) PSLC 內(nèi)部形成的高分子網(wǎng)絡(luò)可以錨定 SmA 的取向，此時(shí)液晶處于垂直
在此基礎(chǔ)上，天津大學(xué)王玲教授和美國(guó)肯特州立大學(xué)李全院士等人開(kāi)發(fā)了一種可自適應(yīng)周圍環(huán)境的功能化石墨烯摻雜高分子穩(wěn)定液晶調(diào)光薄膜，該薄膜能夠感知周圍環(huán)境溫度和紅外輻射強(qiáng)度的變化，從而實(shí)現(xiàn)其可見(jiàn)光透過(guò)率在透過(guò)態(tài)和光散射態(tài)之間的自動(dòng)切換（如圖 1 所示）。
圖 1：(a)功能化石墨烯摻雜高分子穩(wěn)定液晶在 700 nm 處的透過(guò)率隨溫度的變化; (b)功能化石墨烯摻雜高分子穩(wěn)定液晶在 700 nm 處的透過(guò)率隨近紅外輻射時(shí)間的變化; (c)室溫下薄膜透明態(tài)的實(shí)物圖; (d)高溫薄膜光散射態(tài)的實(shí)物圖
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(wǎng)絡(luò)的錨定作用下也可以驅(qū)動(dòng)，一般高分子網(wǎng)絡(luò)的含量都很低，這也就導(dǎo)致 PSLC 薄膜粘結(jié)強(qiáng)度低，難以實(shí)現(xiàn)柔性和規(guī)?；a(chǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，北京大學(xué)楊槐團(tuán)隊(duì)在 PSLC 的基礎(chǔ)上結(jié)合 PDLC 中高分子含量高的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了一種高分子分散與穩(wěn)定液晶（Polymer Dispersed and Stabilized Liquid Crystals, PD&SLC）共存體系（如圖 2 所示）。雖然 PD&SLC 能夠?qū)崿F(xiàn)可見(jiàn)光區(qū)域透過(guò)率的有效調(diào)控，但為了進(jìn)一步提高節(jié)能效率，楊槐團(tuán)隊(duì)加入了 ITO(氧化銦錫)、CsxWO3（鎢酸銫）和 W-VO2（鎢摻雜二氧化釩）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(diào)控可見(jiàn)光的同時(shí)還能屏蔽近紅外光。有望應(yīng)用在智能窗戶、汽車貼膜和航空航天等民用和軍事領(lǐng)域。
圖 2：(a) PD&SLC 大規(guī)模生產(chǎn)示意圖; (b) PD&SLC 在透明態(tài)和散射態(tài)的實(shí)物圖
圖源：Nanoscale Horizons, 2017, 2(6): 319，F(xiàn)ig 2(a) ; Materials Horizons, 2017, 4 (5): 878-884.
具有溫度自適應(yīng)特性的太陽(yáng)光輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控水凝膠材料
水凝膠是一種親水的聚合物網(wǎng)絡(luò)，在低臨界溶解溫度時(shí)，因?yàn)橄嘧冏园l(fā)地改變對(duì)太陽(yáng)光透過(guò)率。水凝膠被認(rèn)為是一種潛在的光熱管理材料。例如，Zhou Yang 等人首次通過(guò)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(zhì)溶液并夾在兩層玻璃之間，開(kāi)發(fā)了高儲(chǔ)能熱響應(yīng)智能窗（HTEST 智能窗）（如圖 3 所示）。
這樣設(shè)計(jì)的智能窗不僅有傳統(tǒng)智能窗調(diào)控太陽(yáng)光的能力，還能儲(chǔ)存能量。在溫度較低的夏天早上或晚上，窗戶將保持透明的狀態(tài)，同時(shí)由于窗戶的高儲(chǔ)熱性，外界的溫度很難傳遞到室內(nèi)，此時(shí)溫度會(huì)比較低。到夏天的中午，室外溫度較高激活了窗戶的不透明模式，將散射太陽(yáng)光, 防止進(jìn)一步加熱房間。在冬天的時(shí)候，窗戶始終保持透明并且儲(chǔ)存熱量。
圖 3：溫度自適應(yīng)太陽(yáng)光輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控水凝膠材料
圖源：Joule, 2020, 4(11): 2458-2474.
紅外熱輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控智能高分子材料
一切溫度高于絕對(duì)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(huán)境如地球主要以紅外線的形式傳播。紅外可以分為近紅外（0.76-1.5 μm）、短波紅外（1.5-3 μm）、中波紅外（3-8 μm）、長(zhǎng)波紅外（8-15 μm）以及遠(yuǎn)紅外（15-1000 μm）。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，熱輻射通量與溫度和發(fā)射率有關(guān)。當(dāng)一個(gè)物體所處環(huán)境溫度固定時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)射率是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控的最佳手段。有趣的是，對(duì)自然界的許多生物如銀蟻、甲蟲(chóng)、頭足類動(dòng)物以及響尾蛇等而言，紅外調(diào)控對(duì)調(diào)節(jié)體溫、獲取信息、交流以及偽裝等生存之道尤為重要。
受此啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)波紅外動(dòng)態(tài)調(diào)控在航空航天技術(shù)、個(gè)人熱管理、輻射冷卻等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用。尤其是在光熱管理領(lǐng)域，日間被動(dòng)輻射冷卻和輻射加熱技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇。但是目前研究的材料的發(fā)射率都是單一的，因此，研發(fā)能發(fā)生變化以適應(yīng)環(huán)境的智能高分子材料，實(shí)現(xiàn)不同刺激下如溫濕度、機(jī)械力、光、電等的紅外輻射的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)未來(lái)熱管理的發(fā)展具有重大的意義。
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(yīng)紡織品，僅調(diào)整皮膚的濕度，該紡織品的紅外輻射變化率可達(dá)到 35% 以上。這種隨環(huán)境變化自適應(yīng)的“門(mén)控”效應(yīng)來(lái)自于相鄰?fù)繉永w維之間的電磁耦合，當(dāng)熱和潮濕的時(shí)候，相鄰纖維上的導(dǎo)電元素更緊密地結(jié)合在一起，電磁耦合得到了增強(qiáng)，從而更好地匹配人體地?zé)彷椛?，有效提高了熱交換(如圖 4 所示)。
圖 4：一種紅外自適應(yīng)紡織品的設(shè)計(jì)原理
圖源：Science, 2019, 363(6427): 619-623.
值得一提的是，除了高分子材料，無(wú)機(jī)材料如 VO2 等在紅外輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控領(lǐng)域也備受關(guān)注。Long 和 Wu 團(tuán)隊(duì)在 Science
圖 5：(a) 夏季智能窗戶的工作原理; (b) 冬季智能窗戶的工作原理; (c) 輻射涂料材料的發(fā)射率的溫度自適應(yīng)特性以及應(yīng)用于家庭屋頂?shù)臒峁芾淼氖疽鈭D
圖源：Science, 2021, 374(6574): 1501-1504; Science, 2021, 374(6574): 1504-1509.