蘇州納米所在自適應熱管理方面取得進展

無源自適應熱管理技術（Passive?self-adaptive thermal management）是無需外界能源驅動、通過材料自身理化性能調控和設計即可實現環境響應熱管理行為的技術，包括自適應降溫和保溫等，在極端環境人體熱管理（Personal thermal management，PTM）、建筑無源調溫系統以及碳減排方面具有潛在的應用價值。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所通過凝膠、氣凝膠及其復合結構設計，實現了系列耐極端環境復合材料的制備、氣凝膠溫度開關、跨介質熱管理（Cross media thermal management，CMTM）、按需熱管理（On-demand）、高低溫雙向調控等，撰寫了基于環糊精分子的高分子設計合成策略及其在多孔材料氣凝膠構筑方面獨特優勢的綜述文章。 ?????

集超低密度和極低熱導率于一體的氣凝膠在熱管理調控材料中具有獨特優勢。而超細單分散氧化硅氣凝膠微球的常壓干燥制備是本領域的關鍵技術瓶頸。傳統的表面活性劑和乳液聚合等方面均面臨球形度低、粒徑大、粒徑分布寬等問題。通過前驅體的水解度調控和復合溶劑的策略，研究實現了超細單分散氧化硅氣凝膠微球的一步法常壓干燥，得到的氣凝膠微球的粒徑分布主要分布在1～3 μm，可有效地散射太陽光，減少太陽輻射加熱（圖1）。?

進一步，該研究通過調控氣凝膠微球的粒徑大小及其分布、顏色，以及采用不同紅外發射率的聚合物薄膜對氣凝膠進行封裝，實現了自適應的保溫或降溫，同時，通過模擬計算使用該氧化硅氣凝膠前后用于建筑供暖和冷卻排放的CO₂的當量，可以發現在全球大部分氣候下，氧化硅氣凝膠微球的使用可以顯著降低CO₂的排放（圖2）。相關成果以Ultrafine silica aerogels microspheres for adaptive thermal management in large-temperature-fluctuation environment為題，發表在Chemical Engineering Journal上。

此外，氣凝膠通常被認為具有優異的隔熱保溫性能。而本研究發現，由于氧化硅氣凝膠在8-13微米波段具有高的選擇性發射率，因而其在戶外環境表現出強勁的被動無源輻射降溫（Passive radiative cooling，PRC）現象。那么，輻射降溫是氣凝膠的普適現象？為了回答這一問題，該研究合成了具有不同化學組分（氧化硅、氮化硼、石墨烯、凱夫拉、PBO、聚酰亞胺）的氣凝膠，以及具有不同微觀形貌（包括納米顆粒網絡、納米纖維網絡、納米片網絡和納米帶狀網絡等）。結果發現，所有的氣凝膠在晴朗的夜間均表現出顯著的輻射降溫性能。研究表明，如果氣凝膠用于人體熱管理，在戶外活動時，必須考慮輻射降溫對氣凝膠隔熱保溫的影響，否則達不到理想的熱管理目標（圖3）。相關成果以Universal passive radiative cooling behavior of aerogels為題，發表在Journal Materials Chemistry A上，并入選HOT Papers。

對于嚴寒環境下的人體保暖，如何實現輕薄化是人們追求的愿望。雖然采用優質的羽絨可以實現保暖服的輕質化，但通常面臨蓬松臃腫、易燃燒等問題。采用具有耐1300℃高溫的柔性氧化鋁陶瓷織物為基底，通過原位聚合聚吡咯制備核-殼的功能織物，具有優異的阻燃和耐極端高溫性能，并能在不同氣候狀態下將太陽光快速轉化成熱量，實現人體的被動太陽光供暖（passive solar heating）（圖4）。由于聚吡咯具有導電性，該織物表現出優異的電加熱性能（active joule heating），在3V電壓的驅動下溫度能在數秒內升高至32℃，通過電壓的調節，具有穩定的梯度溫度調節能力。該雙功能主被動供暖織物，為實現極寒環境下人體熱防護的輕薄化提供了重要支撐。相關成果以Conformal Structured Ceramic Textiles with Passive and Active Heating Functionality為題，發表在ACS?Applied Engineering Materials上。該工作由南京理工大學與蘇州納米所合作完成。

論文鏈接：1、2、3