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  在全球能源緊張與智能柔性電子快速發(fā)展的背景下，如何實(shí)現(xiàn)高效、零能耗的溫度調(diào)控成為一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。近日，東華大學(xué)王宏志教授/瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（EMPA）趙善宇研究員成功開發(fā)一種自適應(yīng)溫度響應(yīng)型多纖維諧振器結(jié)構(gòu)的智能超面料（metafabric），在無(wú)外部能耗的情況下可實(shí)現(xiàn)冷熱環(huán)境下的自適應(yīng)熱調(diào)控，為面向智能穿戴和柔性電子等領(lǐng)域的熱管理技術(shù)提供了一種新型綠色解決方案。

背景與挑戰(zhàn)：柔性電子需要“會(huì)思考的皮膚”

  當(dāng)前，全球30-40%的能源消耗用于環(huán)境加熱與冷卻。隨著人工智能、柔性機(jī)器人及可穿戴設(shè)備的迅猛發(fā)展，智能熱管理柔性材料的需求也日益增長(zhǎng)。工作中的電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生熱量，同時(shí)也暴露于復(fù)雜多變的外界溫度中，過(guò)冷或過(guò)熱都可能嚴(yán)重影響其性能和壽命。

  盡管已有很多關(guān)于被動(dòng)輻射冷卻薄膜或面料的研究報(bào)道，如納米多孔聚乙烯面料、層狀多孔膜等通過(guò)長(zhǎng)波紅外（LWIR）輻射實(shí)現(xiàn)“冷卻”，但這些材料通常是單向和靜態(tài)的，在寒冷環(huán)境下可能會(huì)加重設(shè)備的熱損失。

  為了實(shí)現(xiàn)真正“懂得冷熱”的智能電子皮膚系統(tǒng)的研發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)思了溫度響應(yīng)型自適應(yīng)熱管理（Adaptive Thermal Management, ATM）的設(shè)計(jì)概念，即柔性面料能根據(jù)溫度變化主動(dòng)調(diào)整其對(duì)太陽(yáng)光和紅外輻射的反射或發(fā)射。

技術(shù)突破：多纖維諧振器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)冷熱雙調(diào)控

  該研究核心創(chuàng)新在于：首次在三維柔性納米纖維面料中引入多纖維諧振腔機(jī)制，構(gòu)建了一種響應(yīng)環(huán)境溫度變化的“智能面料”。

  研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電紡法制備出具有高孔隙率（~80%）的聚四氟乙烯（PTFE）無(wú)紡布，并在其上下表面分別沉積摻鎢（W）的二氧化釩（VO?）納米顆粒和銀（Ag）納米顆粒，在大量的單根納米纖維上構(gòu)建“Janus型”雙面涂層結(jié)構(gòu)。

• 在高溫時(shí)，VO?發(fā)生絕緣-金屬相變，激活纖維諧振腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高紅外發(fā)射，從而達(dá)到高效散熱；
  

• 在低溫時(shí)，VO?轉(zhuǎn)變回絕緣態(tài)，抑制紅外發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)有效保溫。

  這種微觀多纖維諧振器如多個(gè)微型“熱門控”，在溫度變化時(shí)自動(dòng)“開啟”或“關(guān)閉”，從而實(shí)現(xiàn)面料對(duì)太陽(yáng)可見光（VIS）—近紅外（NIR）—長(zhǎng)波紅外（LWIR）光譜的廣譜調(diào)控。

性能優(yōu)勢(shì)顯著，廣譜調(diào)節(jié)能力突出

  該智能面料在多個(gè)關(guān)鍵熱調(diào)控性能上實(shí)現(xiàn)了突破，其在高低溫下的紅外發(fā)射率調(diào)節(jié)效率（Δε）高達(dá)0.69，可見光反射率調(diào)節(jié)效率（ΔR）達(dá)19.8%，近紅外反射率調(diào)節(jié)效率（ΔR）達(dá)27.9%，實(shí)現(xiàn)了從VIS到LWIR的廣譜調(diào)控能力；該面料無(wú)需電力驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)溫度變化實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)；同時(shí)，該面料還具備柔性、耐用、防水等工程適配性，適用于柔性電子集成。

  在實(shí)際測(cè)試中，該面料在低溫（約9.7 °C）下覆蓋熱源可使其溫度上升2 °C，在高溫（約63.6 °C）下覆蓋熱源可使其溫度顯著下降16.6 °C，充分展示其動(dòng)態(tài)雙向調(diào)溫能力。

應(yīng)用前景廣闊：從電子皮膚到綠色建筑

  該研究成果不僅為下一代可穿戴柔性電子設(shè)備和智能機(jī)器人等提供了輕量化、環(huán)保、零能耗的熱調(diào)控方案，也可拓展至建筑節(jié)能（如窗簾、帳篷）、空間蒙皮及國(guó)防裝備等多領(lǐng)域，具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖1. 無(wú)源自適應(yīng)動(dòng)態(tài)熱調(diào)節(jié)智能諧振超面料的結(jié)構(gòu)與概念。a) 帶有IR門控的諧振腔超面料在高溫（左）和低溫（右）下的工作原理。其中較粗/較細(xì)的紅色和黃色實(shí)線箭頭表示較強(qiáng)/較弱光輻射，紅色虛線箭頭表示極弱IR輻射。b）諧振腔超面料的示意圖。c）超面料中纖維狀諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。d）超面料的實(shí)物照片。e）超面料溫度為20 °C（藍(lán)線）和60 °C（紅線）時(shí)在VIS-NIR和LWIR范圍內(nèi)的光譜圖，并分別與標(biāo)準(zhǔn)化AM1.5全球太陽(yáng)光譜（藍(lán)色陰影）和LWIR ATSW（紅色陰影）相對(duì)照

圖2. 諧振器超面料的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑與光學(xué)模擬。a）VO₂和Ag NPs分別從面料斷面的頂部和底部進(jìn)入內(nèi)部。b）和對(duì)其各自NPs穿透面料深度的影響。c）超面料斷面的SEM圖。d）通過(guò)SEM和EDS線性映射獲得的斷面線性上-下元素分布曲線。e）諧振腔超面料斷面處的纖維結(jié)構(gòu)。f-h）分別模擬了超面料中平行模型在高低溫下的諧振模式f，g）和LWIR吸收光譜h）。i）模擬了超面料中單一模型在高低溫下的LWIR吸收光譜。

圖3. 諧振腔超面料的制造和性能特點(diǎn)，包括其疏水性、機(jī)械柔性、可洗性和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。a）基于靜電紡絲、真空沉積和氣動(dòng)沉積工藝的光學(xué)諧振腔面料的制備流程圖。b）水滴在傾斜35°的超面料上滑落的過(guò)程（水滴流速約5 μL min^?1；N、G、F_total分別表示法向力、液滴重力和阻力）。c）超面料的柔韌性。d）初生PTFE面料、熱處理后的PTFE面料、商用PTFE面料和超面料的機(jī)械強(qiáng)度。e）諧振腔超面料的可洗性及洗滌循環(huán)過(guò)程中冷熱IR發(fā)射率的穩(wěn)定性

圖4. 響應(yīng)溫度變化的光熱動(dòng)態(tài)門控。a）1層、2層和3層諧振腔超面料在高低溫下的IR發(fā)射光譜。b）超面料在冷熱循環(huán)作用下的IR熱調(diào)節(jié)循環(huán)穩(wěn)定性。c）諧振腔超面料在溫度變化下（藍(lán)線）的IR發(fā)射率。數(shù)據(jù)在8～13 μm上取LWIR發(fā)射率平均值，并繪制成時(shí)間曲線。d-f）PTFE納米纖維平均直徑和VO₂ NPs沉積劑量對(duì)（d）、（e）和Δε（f）的影響。g）超面料和VO₂/PTFE面料的紅外熱成像，溫度范圍為25～60 °C。h）裸熱表面、覆蓋VO2/PTFE面料和諧振超面料的熱表面在室外溫度變化下的實(shí)時(shí)溫度記錄。i，j）分別在低溫（i）和高溫（j）下對(duì)裸露的熱表面和覆蓋有超面料和VO₂/PTFE面料的熱表面進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度記錄。

研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)際合作

  該項(xiàng)目由東華大學(xué)先進(jìn)纖維材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭，聯(lián)合瑞士Empa材料研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等單位協(xié)同攻關(guān)。該成果近日以“Temperature-Responsive Resonator Metafabrics for Self-Adaptive Thermoregulation”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials(Adv. Funct. Mater. 2025, 2422485)上。東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生位艷芳為文章第一作者，王宏志教授、趙善宇研究員及侯成義研究員為論文共同通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422485