受光保护植物叶片启发的水凝胶恒温器：利用潜热与辐射热进行控制

《Advanced Materials》：Hydrogel Thermostat Inspired by Photoprotective Foliage Using Latent and Radiative Heat Control

本研究受白杨树叶光热调节启发，开发了一种基于水凝胶的潜伏-辐射温调器（LRT），通过调控HPC和Li+浓度实现动态太阳能反射和红外发射率，结合潜热交换与蒸发冷却，可在-10.3至57.0℃范围内自主调节温度。TiO2纳米颗粒增强材料机械强度达3428%断裂延伸率，表面改性使粘附力提升9-29倍。实验表明LRT在热与冷环境下分别节能76.5%和3.6℃，全球气候模拟显示其节能潜力达153.94 MJ/m2·y，为建筑 envelope等应用提供可持续 thermal management解决方案。

　　这种灵感来源于植物的热调节策略，特别是白杨树（*Populus alba*）的光保护叶片结构，展现了一种创新的被动式热调节技术。该技术被称为“潜热-辐射热调节器”（Latent-Radiative Thermostat, LRT），通过结合潜热和辐射热的调节机制，实现对环境温度的动态平衡。白杨树的叶片在缺水和高温条件下会卷曲，露出其毛发覆盖的下表面，从而增强太阳反射并减少过热。这种自然机制启发了研究人员开发出一种能够根据环境变化进行自适应调节的新型热调节材料。

LRT系统由聚丙烯酰胺（PAAm）基质、锂离子（Li?）和羟丙基纤维素（HPC）组成。这种结构赋予了材料动态的太阳反射能力、高的红外发射率以及可逆的吸湿-脱湿特性。其热响应机制主要依赖于两个关键的温度阈值：露点温度（*T*_dew）和下临界溶解温度（LCST）。当LRT的温度低于露点温度时，它会吸收空气中的水分并释放潜热；当温度介于露点和LCST之间时，水分蒸发带来冷却效果；而当温度超过LCST时，HPC分子由于疏水相互作用而聚集，从而增加太阳反射能力，提高冷却效率。这种多模式热调节机制使其能够在不同的环境条件下保持稳定，避免过热或过冷。

研究人员通过实验和模拟验证了LRT在不同气候条件下的性能。例如，在冬季和夏季的持续测试中，LRT能够在白天保持比环境温度高3.5°C的加热效果，而在夏季白天则能够实现3.7°C的降温。这些结果表明，LRT不仅能够根据环境条件自动切换加热和冷却模式，还能有效适应从极端寒冷到炎热的广泛温度范围。通过调整HPC和Li?的浓度，可以进一步优化LRT的吸湿性和光学性能，使其适用于不同的气候区域。此外，为了增强材料的机械强度和附着力，研究团队引入了二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒，并采用表面处理技术，如硅烷偶联剂处理和紫外接枝，确保其在各种基材上的良好附着。

LRT的性能在实际应用中也得到了验证。通过制造一个穹顶结构的LRT，并在不同环境下进行测试，研究人员发现该材料能够有效调节封闭空间的温度。在寒冷基材上，LRT的高太阳吸收率使其能够提高屋顶表面温度，产生适度的温室效应，从而增强内部空间的温度；而在高温基材上，LRT则通过吸湿和蒸发过程实现高效的降温效果。这些实验结果表明，LRT不仅适用于开放空间，如建筑外墙和屋顶，还能够用于封闭空间，如温室、智能建筑和临时避难所，从而提供一种适用于不同环境的自适应热调节方案。

在实际应用中，LRT的环境适应性和机械强度是关键因素。通过改变HPC和Li?的浓度，可以调节其光学和吸湿性能，使其适用于从干旱到湿润、从炎热到寒冷的多种气候条件。同时，通过加入TiO₂纳米颗粒和表面处理，LRT能够承受极端的环境挑战，包括高温、高湿、酸碱和氧化环境，确保其长期的稳定性和可靠性。这些特性使其成为一种具有广泛应用前景的热调节材料。

在实验设计方面，研究人员采用了多种方法来评估LRT的性能。通过扫描电子显微镜（SEM）分析其微观结构，发现其孔隙大小在温度变化时发生显著变化，从而增强光学调节能力。此外，通过机械性能测试，评估了其拉伸强度和延展性，确保其在实际应用中的耐用性。在光学特性方面，通过测量太阳反射率和红外发射率，验证了其在不同温度下的热调节能力。通过湿度循环测试，确认了LRT在反复吸湿和脱湿过程中的稳定性，从而保证其在不同环境条件下的持续性能。

LRT的开发不仅关注材料的性能，还注重其在现实环境中的适用性。在户外测试中，LRT能够根据环境变化自动调节温度，使其保持在人体舒适温度范围内。通过模拟不同气候区的环境条件，研究人员发现LRT在多个气候区中均表现出优异的节能效果，特别是在寒冷地区，其节能潜力显著。这种结合自然热调节机制与现代材料科学的技术，为未来的可持续建筑和智能环境控制提供了新的思路。

综上所述，LRT通过模拟植物的热调节机制，实现了在不同环境条件下对温度的自适应调节。其动态的太阳反射能力、高红外发射率和可逆的吸湿-脱湿特性，使其在各种气候条件下都能保持稳定的温度调节性能。通过材料的优化设计和表面处理技术，LRT不仅具备良好的机械强度和附着力，还能有效抵抗各种环境挑战。这种创新的热调节系统为未来的建筑节能和气候适应性设计提供了重要的技术支持，展现了生物启发材料在实际应用中的巨大潜力。