生物策略賦能熱管理！仿生熱管理材料研究最前沿

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》202 6年第8期《仿生熱管理材料研究進(jìn)展》

熱管理材料在人體熱舒適、建筑節(jié)能及電子器件散熱等領(lǐng)域具有重要作用，但傳統(tǒng)材料在環(huán)境適應(yīng)性與多功能協(xié)同調(diào)控方面仍存在不足。自然界的生物通過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化形成了高效且多樣的熱管理機(jī)制，為新型熱管理材料設(shè)計(jì)提供了重要啟示。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)浙江大學(xué)化學(xué)工程與低碳技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)基礎(chǔ)交叉研究院柏浩教授團(tuán)隊(duì)撰寫文章，歸納了生物體系中的熱管理機(jī)制，系統(tǒng)介紹了近年來(lái)仿生熱管理材料的進(jìn)展。針對(duì)仿生熱管理材料面臨的問(wèn)題，提出了應(yīng)加強(qiáng)多機(jī)制耦合設(shè)計(jì)、跨尺度結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)構(gòu)筑及工程化應(yīng)用導(dǎo)向研究，推動(dòng)仿生熱管理材料向高性能與實(shí)際應(yīng)用發(fā)展。

熱管理是指通過(guò)調(diào)控體系內(nèi)熱量的產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)與散失，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的溫度分布，從而保障系統(tǒng)的功能穩(wěn)定與環(huán)境適應(yīng)性。該技術(shù)在人體熱舒適、建筑節(jié)能以及電子器件散熱等領(lǐng)域至關(guān)重要。盡管如此，傳統(tǒng)熱管理材料在結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、極端環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境響應(yīng)能力及能耗控制等方面仍存在不足。因此，亟需開(kāi)發(fā)適應(yīng)性更強(qiáng)的熱管理材料。為突破傳統(tǒng)材料的性能瓶頸，有必要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料合成及光學(xué)性能調(diào)控等方向開(kāi)展深入研究。

自然界中，大量生物通過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化形成了高效且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的熱管理機(jī)制。這些生物憑借獨(dú)特的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)、表面微納尺度形貌，以及相變驅(qū)動(dòng)的生理調(diào)控過(guò)程，可對(duì)熱傳導(dǎo)、熱輻射和水分輸運(yùn)等過(guò)程進(jìn)行高效調(diào)控與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)體溫調(diào)節(jié)或偽裝功能。這類策略顯著提高了生物在復(fù)雜環(huán)境中的生存能力，并為仿生熱管理材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能構(gòu)筑提供了關(guān)鍵啟示。

隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)、柔性電子、紡織科學(xué)和界面科學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，仿生智能熱管理材料的制備具備了更為成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。目前仿生智能熱管理材料正逐漸從理論探索走向工程應(yīng)用，在個(gè)人服裝、可穿戴電子設(shè)備、智能建筑及航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛前景。

我們介紹了不同機(jī)制調(diào)控的仿生熱管理材料的研究進(jìn)展。首先，從光學(xué)調(diào)控、傳導(dǎo)調(diào)控和相變調(diào)控3方面概述自然界中生物的熱管理機(jī)制；隨后，總結(jié)基于上述策略的仿生材料研究現(xiàn)狀；最后，展望仿生熱管理材料的未來(lái)發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究提供參考與啟示。

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仿生熱管理策略

不同物種在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中逐漸形成了高效的熱管理特性。這些特性通常依托于從整體形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)到微觀與納米尺度結(jié)構(gòu)的精細(xì)構(gòu)筑，并與特定的生理調(diào)節(jié)過(guò)程協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)外熱量傳遞與交換的有效調(diào)控。如圖1所示，我們依據(jù)主導(dǎo)熱調(diào)控機(jī)制的差異，將仿生熱管理策略劃分為光學(xué)調(diào)控主導(dǎo)、傳導(dǎo)調(diào)控主導(dǎo)和相變調(diào)控主導(dǎo)3類。該分類方式有助于從物理本質(zhì)層面系統(tǒng)梳理仿生熱管理材料設(shè)計(jì)思路。

圖1 仿生熱管理策略

在光學(xué)調(diào)控方面，生物主要通過(guò)調(diào)節(jié)可見(jiàn)光反射/吸收以及紅外輻射發(fā)射特性來(lái)實(shí)現(xiàn)體溫維持。許多動(dòng)物依靠體表顏色和結(jié)構(gòu)的變化調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射的吸收程度。這些生物光學(xué)響應(yīng)機(jī)制為輻射制冷、光熱材料及紅外偽裝技術(shù)的設(shè)計(jì)提供了重要啟示。

在傳導(dǎo)調(diào)控方面，自然界生物的隔熱機(jī)制主要源于毛發(fā)或羽毛形成的多孔結(jié)構(gòu)，生活在寒冷地區(qū)的生物通常需要盡可能減少體內(nèi)熱量散失，因此演化出富含靜止空氣的隔熱系統(tǒng)。由于空氣導(dǎo)熱率低，靜止空氣可同時(shí)抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流；而貝殼等生物硬組織中的取向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)雖并不承擔(dān)熱管理功能，但其取向特征也為高導(dǎo)熱材料的設(shè)計(jì)提供了借鑒。這類取向結(jié)構(gòu)已被證明對(duì)柔性電子散熱、熱界面材料以及高導(dǎo)熱膜材料的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

相變調(diào)控利用相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的潛熱吸收或釋放，實(shí)現(xiàn)體溫調(diào)節(jié)與環(huán)境熱交換調(diào)控。植物蒸騰和哺乳動(dòng)物出汗是典型的相變散熱方式。植物將根系吸收的水分運(yùn)輸至葉片，經(jīng)氣孔蒸發(fā)以吸收汽化潛熱，從而降溫并調(diào)節(jié)水熱平衡。人類及其他哺乳動(dòng)物出汗時(shí)，汗液在皮膚表面蒸發(fā)吸收體表熱量，降低體溫并維持穩(wěn)態(tài)。

總體而言，光學(xué)調(diào)控、傳導(dǎo)調(diào)控與相變調(diào)控形成了生物體系應(yīng)對(duì)不同環(huán)境溫度與能量需求的核心熱管理策略，使生物得以在極寒至酷熱的多種環(huán)境中高效維持正常生理平衡。這些自然界中的結(jié)構(gòu)與機(jī)制不僅展現(xiàn)了熱管理過(guò)程的多尺度耦合，也為人工熱管理材料提供了豐富的仿生設(shè)計(jì)與制備思路。

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仿生熱管理材料的設(shè)計(jì)原理與功能

2.1 光學(xué)主導(dǎo)的仿生熱管理材料

光學(xué)主導(dǎo)的生物熱管理策略可分為輻射制冷、紅外偽裝和光熱調(diào)控，但三者在調(diào)控目標(biāo)波段與能量流向方面存在本質(zhì)差異。三者雖然均涉及光譜調(diào)控，但其熱管理目標(biāo)與作用機(jī)制并不相同。

2.1.1輻射制冷

輻射制冷是指在不消耗能量的情況下，將自身的熱量以中紅外輻射形式向外太空發(fā)射，同時(shí)最大限度減少對(duì)太陽(yáng)光的吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)降溫。

受撒哈拉銀蟻體表波紋狀三角截面毛發(fā)光譜調(diào)控特性的啟發(fā)（圖2（a）），Jeong等構(gòu)筑棱柱形聚合物基被動(dòng)輻射冷卻器，該器件實(shí)現(xiàn)了高太陽(yáng)反射和高大氣窗口發(fā)射；用于建筑熱管理中，在亞熱帶戶外條件下可獲得約6.2℃的峰值降溫，為提升輻射制冷性能提供了仿生路徑（圖2（b））。Zhang等受金吉丁蟲的雙尺度絨毛結(jié)構(gòu)啟發(fā)，將含有隨機(jī)分布Al2O3微球的PDMS前體溶液旋涂到帶有倒金字塔陣列的晶圓錐形模板上，后經(jīng)真空熱固化，進(jìn)而復(fù)制了一種雙尺度三角形結(jié)構(gòu)。

在提升建筑熱管理中制冷性能的基礎(chǔ)上，外觀可接受性和城市應(yīng)用適配性也逐漸受到關(guān)注。Fu等受珊瑚蟲利用色素細(xì)胞中光致發(fā)光色素適應(yīng)光照的特性啟發(fā)，引入稀土摻雜熒光粉構(gòu)建光致發(fā)光輻射冷卻復(fù)合材料，擺脫單純散射型“超白”設(shè)計(jì)，獲得綠、黃、紅等可見(jiàn)色外觀（圖2（c）~（d））。

圖2 仿生輻射制冷材料

2.1.2紅外偽裝

紅外偽裝旨在削弱目標(biāo)與背景的紅外熱輻射差異，其實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)材料紅外發(fā)射率與表面溫度分布的協(xié)同調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紅外熱特征與環(huán)境相匹配。近年來(lái)，受自然界生物啟發(fā)，研究者廣泛探索了包括頭足類動(dòng)物、變色龍?jiān)趦?nèi)的眾多物種操控光線并進(jìn)行動(dòng)態(tài)偽裝的能力。這類動(dòng)態(tài)策略能夠幫助生物在復(fù)雜背景中快速實(shí)現(xiàn)偽裝以躲避捕食者（圖3（a）~（b））。

受頭足類動(dòng)物的啟發(fā)，Liu等成功制備了一種MXene（二維過(guò)渡金屬碳/氮化物）集成的膽甾相液晶彈性體，實(shí)現(xiàn)了多光譜偽裝功能（圖3（c））。除變色龍和頭足類偽裝外，動(dòng)物毛發(fā)（或羽毛）在直立與傾斜狀態(tài)下分別表現(xiàn)出保溫與散熱差異，也為自適應(yīng)熱調(diào)控提供了仿生思路。Wang等制備出集成柔性可重構(gòu)導(dǎo)線超材料薄膜與可編程無(wú)線控制模塊的自適應(yīng)紅外偽裝系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境熱檢測(cè)、類腦識(shí)別與閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。

圖3 仿生紅外偽裝材料

2.1.3光熱材料

光能是自然界中最常見(jiàn)的能源之一，通過(guò)吸收光能進(jìn)行加熱保暖是生物重要的熱管理方式。受生物體溫調(diào)節(jié)過(guò)程中光譜響應(yīng)可調(diào)特性的啟發(fā)，研究者開(kāi)發(fā)了多種溫度自適應(yīng)光熱調(diào)控材料。受暹羅貓?bào)w溫響應(yīng)型變色機(jī)制啟發(fā)（圖4（a）），Xiang等開(kāi)發(fā)了一種溫度自適應(yīng)熱管理膜，能夠隨溫度變化在黑白2種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，從而顯著改變光學(xué)性能。在高溫下，薄膜呈白色，太陽(yáng)反射率超過(guò)90%、熱發(fā)射率接近95%，實(shí)現(xiàn)高效輻射冷卻；當(dāng)溫度低于閾值時(shí)，薄膜轉(zhuǎn)為黑色，使太陽(yáng)吸收量提高約30%，進(jìn)入光熱加熱模式（圖4（b））。納米比亞變色龍可通過(guò)調(diào)控膚色，改變太陽(yáng)輻射吸收能力以調(diào)節(jié)體溫。Dong等應(yīng)用于中緯度建筑時(shí)，該涂層可年節(jié)能20%，為建筑智能熱管理提供了新方案。研發(fā)出兼具光熱調(diào)控與輻射冷卻的溫度自適應(yīng)涂層，實(shí)現(xiàn)溫敏型光譜動(dòng)態(tài)調(diào)控。

此外，一些生物體表微納結(jié)構(gòu)還能夠通過(guò)增強(qiáng)光捕獲效應(yīng)提高光熱轉(zhuǎn)換效率。黑蝴蝶翅膀能夠高效地將吸收的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱能，用于飛行前快速提升肌肉溫度。其翅色可分為色素色與結(jié)構(gòu)色（圖4（c）），其中結(jié)構(gòu)色源于光與翅鱗納米結(jié)構(gòu)的相互作用，翅膀表面的周期性脊?fàn)罴{米結(jié)構(gòu)通過(guò)多次散射與光捕獲顯著增強(qiáng)光吸收（圖4（d））。受該機(jī)制啟發(fā)，Ying等構(gòu)建了仿生雙層MXene@還原氧化石墨烯（rGO）光熱膜用于太陽(yáng)能界面蒸發(fā)。頂層以MXene構(gòu)建平行/楔形納米結(jié)構(gòu)以降低反射、提高光熱轉(zhuǎn)換效率；底層則由具有寬帶光吸收能力的rGO納米片構(gòu)成（圖4（e））。

圖4 仿生光熱材料

2.2 傳導(dǎo)主導(dǎo)的仿生熱管理材料

2.2.1多孔隔熱

多孔隔熱的物理本質(zhì)在于通過(guò)構(gòu)筑復(fù)雜的熱流障礙，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳導(dǎo)、對(duì)流與輻射3種傳熱途徑的協(xié)同抑制。此外，多級(jí)孔壁界面構(gòu)筑了密集的光學(xué)散射中心，能夠有效阻斷紅外輻射的熱交換。這種“以空代實(shí)”的結(jié)構(gòu)范式在極地生物身上得到了完美體現(xiàn)。

一些生物結(jié)構(gòu)通過(guò)構(gòu)建分級(jí)多孔骨架，在保證力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效隔熱。受北極熊毛發(fā)核殼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)（圖5（a）~（b）），Wu等通過(guò)結(jié)合冷凍紡絲與殼層封裝技術(shù)，首次制備出核殼結(jié)構(gòu)封裝的氣凝膠纖維（圖5（c））。該方法有效解決了氣凝膠材料因力學(xué)性能差而難以應(yīng)用于織物的難題。墨魚骨呈現(xiàn)出堅(jiān)固的多孔分級(jí)結(jié)構(gòu)，既憑借多孔構(gòu)造實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)特性，又依托分級(jí)結(jié)構(gòu)賦予自身優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，能在海洋環(huán)境中兼顧結(jié)構(gòu)支撐與輕量化需求。Du等受此啟發(fā)，通過(guò)硅酸鈣鋁水合物納米顆粒（水泥主要成分）在聚合物溶液中通過(guò)冰模板法自組裝，制備出仿墨魚骨結(jié)構(gòu)的水泥氣凝膠，破解了建筑材料隔熱與力學(xué)性能難以兼顧的難題。

類似地，極地鳥類羽毛結(jié)構(gòu)也通過(guò)多級(jí)纖維網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)空氣鎖定與隔熱。帝企鵝羽毛除多級(jí)分枝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，還具有吸光、反射紅外線等高效保溫特性（圖5（d））。受此啟發(fā)，Ran等制備出多層耦合隔熱可穿戴紡織品。其外層為碳納米管?纖維素，模仿企鵝羽毛黑尖，在光照下可快速升溫5℃；中層為聚乳酸，仿羽毛中段鎖閉空氣隔熱；內(nèi)層為MnO2?纖維素膜，仿羽毛絨毛反射人體紅外以減小熱損失（圖5（e））。

圖5 仿生多孔隔熱材料研究進(jìn)展

2.2.2取向?qū)?/strong>

取向?qū)崾侵竿ㄟ^(guò)特定的制備工藝（如剪切誘導(dǎo)、電磁場(chǎng)輔助或冰模板法等），驅(qū)動(dòng)高長(zhǎng)徑比的導(dǎo)熱填料（如一維納米纖維或二維納米片）在基體中沿特定方向有序排列，從而構(gòu)筑連續(xù)的聲子傳輸通道。這種各向異性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠顯著降低界面熱阻，在較低的填料載荷下實(shí)現(xiàn)特定方向（面內(nèi)或跨面）熱導(dǎo)率的跨越式提升。自然界中的貝殼珍珠層等生物組織，為高性能導(dǎo)熱材料的構(gòu)筑提供了關(guān)鍵啟示。

貝殼珍珠層以其獨(dú)特的“磚?泥”結(jié)構(gòu)聞名，由堅(jiān)硬碳酸鈣“磚”與柔韌有機(jī)“泥”交替堆疊而成，賦予其卓越的強(qiáng)韌性（圖6（a））。這種有序微觀結(jié)構(gòu)為導(dǎo)熱材料開(kāi)發(fā)提供了重要參考。Wang等受鮑魚殼啟發(fā)，利用六方氮化硼（h?BN）與聚乙烯醇（PVA）制備了具有高度取向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合膜。該膜熱導(dǎo)率高達(dá)23.6 W·m?1·K?1，分別是h?BN隨機(jī)排列及純PVA膜的2倍和131倍（圖6（b））。紅外成像證實(shí)其表面熱擴(kuò)散速率顯著增強(qiáng)（圖6（c））。Li等受貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過(guò)逐層刮涂法制備了高度取向的MXene導(dǎo)熱薄膜，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)高效的熱傳導(dǎo)通道。應(yīng)用于電子器件散熱中，該薄膜可快速鋪展熱點(diǎn)熱量并降低器件工作溫度，表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能，體現(xiàn)了仿生取向結(jié)構(gòu)在電子器件熱管理中的重要應(yīng)用價(jià)值。

除層狀取向結(jié)構(gòu)外，自然界中的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)同樣能夠在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)提供高效熱傳輸通道。受此啟發(fā)，Ding等提出了一種簡(jiǎn)便的薄膜涂覆策略，通過(guò)精確調(diào)節(jié)黏度和表面張力，構(gòu)建了集傳導(dǎo)、輻射和蒸發(fā)功能于一體的蜂窩狀多孔超材料織物（ACM）（圖6（e）~（f））。該結(jié)構(gòu)促使高導(dǎo)熱氮化硼納米片在孔壁聚集形成高效散熱通道，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同熱濕管理。

圖6 仿生取向?qū)岵牧?/p>

2.3 相變主導(dǎo)的仿生熱管理材料

與依賴比熱容升降的顯熱儲(chǔ)熱不同，相變調(diào)控策略以相變潛熱為核心，涵蓋了固?液相變的儲(chǔ)/釋熱過(guò)程及液?氣相變的蒸發(fā)散熱機(jī)制，能在近乎恒溫的狀態(tài)下吸收或釋放巨大的能量。這種高儲(chǔ)能密度和“熱緩沖區(qū)”特性，在生物體應(yīng)對(duì)環(huán)境溫差波動(dòng)與仿生熱管理體系中均具有重要作用。

2.3.1汗液蒸發(fā)

人類及其他哺乳動(dòng)物出汗時(shí)的高效散熱機(jī)制，本質(zhì)上是基于水蒸發(fā)相變過(guò)程吸收皮膚表面潛熱，使體溫得以降低并維持穩(wěn)態(tài)。高效利用此機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)織物，可顯著提升織物的熱管理能力。

針對(duì)傳統(tǒng)紡織品在出汗場(chǎng)景下蒸發(fā)能力與冷卻效率受限的問(wèn)題，Peng等制備出集成導(dǎo)熱與汗液傳輸功能的i?Cool紡織品（圖7（a）~（b））。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了織物單向?qū)Ш剐裕蛊錈嶙栎^傳統(tǒng)紡織品低14~20倍，蒸發(fā)速率提升約為傳統(tǒng)紡織品的2倍，每單位汗液蒸發(fā)的散熱功率密度增量高3倍（圖7（c））。

Ding等開(kāi)發(fā)出一種結(jié)合了三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)與Janus潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)的雙冷卻紡織品（DCT）（圖7（d））。DCT展現(xiàn)出單向吸濕排汗能力，這種水分傳輸性能類似于二極管，能夠有效地排出汗液，保持皮膚干爽（圖7（e））。DCT面料比棉質(zhì)面料可分別降低2.1和3.7℃（圖7（f）），這也為高效個(gè)人冷卻紡織品研究提供了新方向。

圖7 仿汗液蒸發(fā)作用材料

除個(gè)人可穿戴熱管理外，蒸發(fā)相變機(jī)制也被應(yīng)用于建筑熱管理領(lǐng)域。受生物出汗行為啟發(fā)，Rotzetter等設(shè)計(jì)了基于溫敏水凝膠的仿生建筑熱管理材料，實(shí)現(xiàn)了建筑的高效蒸發(fā)冷卻。

2.3.2 植物蒸騰

植物的蒸騰作用本質(zhì)上類似于汗液蒸發(fā)，均基于水蒸發(fā)的相變過(guò)程實(shí)現(xiàn)熱量管理。在植物中，葉脈不僅輸送水分和養(yǎng)分，還深度參與熱能的分配和調(diào)節(jié)。Huang等通過(guò)模擬自然界中植物葉脈的微流控系統(tǒng)和蒸騰過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種光伏葉片（PV?leaf）。該系統(tǒng)利用竹纖維束和水凝膠單元模擬植物葉脈中的微流控結(jié)構(gòu)，以輸送和蒸發(fā)水分，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式熱管理（圖8（a））。PV?leaf通過(guò)其仿生蒸騰結(jié)構(gòu)，能夠從光伏電池中帶走約590 W·m?2的熱量，在1000 W·m?2的太陽(yáng)輻照度下，使其溫度降低約26℃（圖8（b））。該創(chuàng)新仿生設(shè)計(jì)將光伏葉片的整體太陽(yáng)能利用率從單個(gè)光伏電池的13.2%提高到74.5%以上，實(shí)現(xiàn)了高效的光伏電子器件熱管理性能。

受植物葉片葉脈分級(jí)輸運(yùn)結(jié)構(gòu)及蒸騰機(jī)制啟發(fā)，Sun等以木質(zhì)素為前驅(qū)體構(gòu)筑了類葉脈狀多孔碳（LPC），并與聚乙二醇（PEG）復(fù)合制備相變材料。LPC獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)75%的高PEG負(fù)載與無(wú)泄漏封裝，為建筑被動(dòng)式熱管理提供了基于生物質(zhì)仿生的新方案。

受維管植物蒸騰作用中定向水分傳輸和葉脈高效散熱功能的啟發(fā)（圖8（c）），Miao等以靜電紡絲制備聚氨酯/氮化硼納米片（PU/BNNS）多層纖維膜，經(jīng)親水性處理后，制備了一種具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和互連BNNS網(wǎng)絡(luò)的仿生紡織品（圖8（d））。

圖8 仿植物蒸騰作用材料

2.3.3 駝峰儲(chǔ)能

駱駝駝峰由表皮和大量脂肪組織構(gòu)成（圖9（a）~（b））。表皮有助于減少水分損失，而脂肪則具備熱緩沖功能，能在白天吸收并儲(chǔ)存部分熱量，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，駱駝可通過(guò)提高代謝率和產(chǎn)熱來(lái)增加體溫。此外，當(dāng)體溫升高到一定閾值時(shí)，駱駝仍能通過(guò)汗液蒸發(fā)進(jìn)行散熱。

相變材料（PCM）是一類利用物理狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的潛熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與溫度調(diào)控的功能材料。Fallahi等在研究中發(fā)現(xiàn)駱駝脂肪可作為天然相變材料。他們將駱駝脂肪直接用作相變芯材制備微膠囊，并將其涂覆于織物上，證實(shí)其在高溫環(huán)境下能有效延緩織物溫度升高。

受駝峰的儲(chǔ)能特性啟發(fā)，Ji等制備了MXene@聚乙烯醇/相變膠囊（PCC）氣凝膠復(fù)合材料（圖9（c））。通過(guò)融合相變吸熱、隔熱和低發(fā)射率三重特性，最終實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的紅外隱身性能，使其難以從背景中識(shí)別，證明了駝峰儲(chǔ)能仿生策略在相變智能熱管理設(shè)計(jì)中的有效性。

圖9 仿生相變儲(chǔ)能材料

總體而言，現(xiàn)有仿生熱管理材料通過(guò)借鑒生物體系在光學(xué)調(diào)控、傳導(dǎo)調(diào)控與相變調(diào)控方面的結(jié)構(gòu)特征與功能機(jī)制，在提升熱調(diào)控效率、增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性及實(shí)現(xiàn)多功能集成等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。未來(lái)仍需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料體系穩(wěn)定性提升及工程化應(yīng)用等方面開(kāi)展進(jìn)一步研究，以推動(dòng)仿生熱管理技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展。

3

結(jié)論與展望

動(dòng)物和植物通過(guò)優(yōu)化毛發(fā)和葉片等器官的化學(xué)組成與多尺度結(jié)構(gòu)，協(xié)同調(diào)控多種傳熱通路，實(shí)現(xiàn)了極端冷熱環(huán)境的高效溫度調(diào)控，為熱管理材料的設(shè)計(jì)提供了全新路徑。

盡管現(xiàn)有研究已取得顯著進(jìn)展，但該領(lǐng)域仍面臨一些亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)和技術(shù)瓶頸。

1）探索多樣的生物熱管理機(jī)制。未來(lái)需持續(xù)從根本上探索多樣的生物熱管理機(jī)制，闡明其特殊化學(xué)組成和復(fù)雜動(dòng)態(tài)多尺度結(jié)構(gòu)與熱管理效能之間的關(guān)系，并指導(dǎo)開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)、高效且多功能集成的新型熱管理材料。

2）發(fā)展精準(zhǔn)的跨尺度構(gòu)筑技術(shù)。需要進(jìn)一步優(yōu)化3D打印、納米蝕刻和冰模板法等仿生材料精密組裝構(gòu)筑技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能在微觀至宏觀層面的精準(zhǔn)調(diào)控。

3）克服規(guī)模化制備的挑戰(zhàn)。未來(lái)研究應(yīng)更加關(guān)注材料制備工藝的簡(jiǎn)化與穩(wěn)定性評(píng)估，推動(dòng)仿生熱管理材料由實(shí)驗(yàn)室研究向工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

4）融合前沿技術(shù)與智能化設(shè)計(jì)。將仿生熱管理材料設(shè)計(jì)與機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)結(jié)合，可顯著提升材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能優(yōu)化的效率，加速新材料的研發(fā)周期。同時(shí)，結(jié)合柔性電子技術(shù)，有望制備具有環(huán)境自適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的智能可穿戴熱管理材料。

5）實(shí)現(xiàn)多機(jī)制的協(xié)同耦合設(shè)計(jì)。未來(lái)研究應(yīng)著眼于通過(guò)改進(jìn)仿生材料設(shè)計(jì)，將光學(xué)調(diào)控、傳導(dǎo)調(diào)控、相變調(diào)控等不同熱管理機(jī)制與功能進(jìn)行高效集成。這種多功能熱管理材料的協(xié)同耦合設(shè)計(jì)將有望進(jìn)一步拓展其在復(fù)雜環(huán)境和極端條件下的應(yīng)用范圍和提升熱管理效能。

本文作者：?jiǎn)瓮敲魅稹睾?br/>

作者簡(jiǎn)介：單威，浙江大學(xué)化學(xué)工程與低碳技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)榉律悄軣峁芾聿牧希话睾疲ㄍㄐ抛髡撸?strong>浙江大學(xué)化學(xué)工程與低碳技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)基礎(chǔ)交叉研究院，教授，研究方向?yàn)榉律悄懿牧稀?/strong>

文章來(lái) 源 ： 單威, 吳明瑞, 柏浩. 仿生熱管理材料研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(8): 46?59.

本文有刪改，

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