四川大学李忠明/雷军团队 Matter: 仿生多层设计凝胶涂层用于自适应和可持续的热调节

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四川大学李忠明/雷军团队 Matter: 仿生多层设计凝胶涂层用于自适应和可持续的热调节

高分子科技

2025-03-27

导读：一种具有自主热调节和高制冷功率的仿生皮肤高分子凝胶涂层...

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近年来，基于材料表面特殊光谱效应的辐射冷却涂层（RCC）为可持续的零能耗建筑热管理提供了一种有效解决方案。然而，由于无法适应波动的环境和气候条件，单一热管理模式的RCC规模化应用受到极大限制。更重要的是，由于强的大气窗口依赖性，RCC的制冷功率通常低于150 W m^-2。

人体皮肤作为一种天然的中红外发射器，在安静状态下主要通过辐射散热来调节体温。对于人体皮肤而言，优异的动态热调节机制是维持体温恒定的关键。当体温较高时，汗腺会自发释放汗液从而促进蒸发冷却以提高皮肤的冷却能力。有趣的是，人体皮肤表面的汗腺数量有限，这有助于维持体内水分防止高温时人体瞬间大量脱水。模仿皮肤的热管理机制和生物结构能有效解决辐射冷却的基础问题。除了热辐射和蒸发冷却对温度调控过程存在影响外，自适应的太阳光谱调节也是动态热管理中至关重要的因素。迄今为止，还没有报道过具有自主温度调节和高冷却功率（>150 W m^-2）的涂层用于零能耗热管理。

近日，四川大学高分子科学院与工程学院李忠明教授、雷军教授团队（塑料高性能化加工与装备课题组）报道了一种具有自主热调节和高制冷功率的仿生皮肤高分子凝胶涂层（BSMC），旨在解决传统辐射冷却涂层的挑战，实现建筑的高效热管理。与传统的RCC不同，BSMC涂层中引入了一种可调的仿生皮肤汗液蒸发冷却策略，以提高其在高温下的制冷能力。同时，采用热变色策略解决了人体皮肤无法适应性调节光谱的限制。具有分层结构的仿生皮肤涂层不仅能够实现多种场景应用，还能够满足多功能需求。

2025年3月24日，相关工作在Matter期刊上发表了题为“Biomimetic, hierarchical-programmed gel coating for adaptive and sustainable thermal modulation”的研究论文。第一作者是博士生郭志广, 雷军教授、李忠明教授是通讯作者。

本研究采用分层结构设计（粘合层、温敏辐射层、吸湿层）与局部分子限制工程，耦合了蒸发冷却、辐射散热和动态光谱调制功能，开发了一种可自主温度调控的仿生皮肤凝胶涂层。与传统的RCC不同，BSMC涂层中引入了一种可调的仿生皮肤汗液蒸发冷却策略，以提高其在高温下的制冷能力。此外，涂层还通过模仿皮肤的多层次结构调节涂层的水蒸发速率，并增强涂层与基底之间的附着力。同时，采用热变色策略解决了人体皮肤无法适应性调节光谱的限制。

值得注意的是，仿生皮肤涂层通过“温度响应开关”实现自主热调节，且该开关温度可根据具体应用需求进行轻松编辑。具有分层结构的仿生皮肤涂层不仅能够实现多种场景应用（如墙面、屋顶和窗户），还能够满足多功能需求。

BSMC在高温（>28°C）下反射率85%，蒸发冷却功率达233W/m²，较传统RCC降温4°C；低温时透光率90%，支持光热加热。其相变温度（28°C）可调，适用于多样化场景（建筑、军事伪装）。

实验表明，BSMC在模拟极端环境（900W/m²光照）下可持续冷却5小时，户外测试中建筑模型降温8°C。模拟结果表明，BSMC全球推广后可实现高达239千克/年的人均CO₂减排量。本研究所制备的多功能涂层有望推动热管理向低碳模式的转变。

图1：BSMC的设计概念、结构和热管理机制。

（图1）通过模仿人类皮肤的汗腺蒸发冷却和辐射散热机制，BSMC结合了分层结构设计（如基底、中间凝胶层和表面吸湿层）与局部分子限制工程，实现了自适应光谱和湿度调节。图中对比了传统辐射冷却涂层（RCC）在动态环境中的不足，并提出了BSMC通过温度响应开关（TRS）实现全天气候热管理的原理，包括高温下的蒸发冷却与低温下的光热效应加热。

图2：BSMC的制备与结构表征。

（图2）通过紫外光聚合技术逐层构建了三层功能结构：底层粘合层（PAAN）、中间辐射冷却层（PNCS）和表面吸湿层（PAMPS）。实验表征显示，BSMC的中红外发射率超过97%，且通过局部分子限制工程成功锚定钙离子，避免了盐浓度对相变温度的干扰。扫描电镜（EDS）和溶胀测试进一步验证了各层结构的稳定性与界面结合的牢固性。

图3：BSMC的光谱特性。

（图3）在20°C时，涂层在可见光区透光率超过90%；当温度升至40°C时，透光率降至10%以下，反射率提升至85%。通过多层结构设计和图案化策略，BSMC抑制了霍夫迈斯特效应（盐致相分离），并支持彩色颜料的引入，实现多彩动态热调节。循环测试表明，涂层在20次相变后仍保持稳定透/反射性能，具备良好的环境耐久性。

图4：BSMC的水分调节性能。

（图4）通过调控表面微结构（如PAMPS覆盖比例），BSMC在高温（40°C）下的水分释放速率达350 g/m²·h，冷却功率提升233 W/m²。红外热成像显示，BSMC-50（50% PAMPS覆盖）在40°C环境中表面温度比环境低12°C，且尺寸稳定性优异（加热后面积收缩率<5%）。压缩疲劳测试进一步证明其机械稳定性。

图5：BSMC的多场景热管理性能。

（图5）在模拟太阳辐射（800 W/m²）下，BSMC-50@wood的腔体温度比传统RCC低1°C，户外测试中较普通木材降温8.5°C，较商业RCC降温4°C。此外，BSMC在军事热伪装网中表现出非对称发射率特性，高发射面吸收热源辐射并通过蒸发冷却散热，低发射面减少热信号泄露，显著提升隐蔽性。

（图6）通过EnergyPlus模拟量化了BSMC的能源与环保效益。在中国不同气候区，BSMC应用于建筑屋顶、墙面和窗户后，年冷却能耗降低23-35 MJ/m²（北京节能49%），加热能耗减少8%。全球推广后，预计每年减少19亿吨CO₂排放（占全球总量的5%）。数据地图显示，BSMC在低纬度城市（如海口）单栋建筑年节能达110 GJ，人均减碳239 kg。

图6: BSMC的节能与减排评估。

未来研究可进一步优化BSMC的长期耐久性与环境适应性，例如在极端湿度或污染条件下的性能稳定性。此外，开发低成本制备工艺（如卷对卷涂布）将加速其产业化应用。拓展多功能集成（如自清洁、抗冻抗干）可提升其在极地或沙漠地区的适用性。同时，结合物联网技术实现涂层智能调控（如实时温度反馈）是重要方向。最后，需开展全生命周期评估，量化生产与废弃阶段的环境影响，以全面推动可持续热管理技术的实际落地。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102057

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