供暖和制冷是全球能源消耗的主要来源（约51%），且造成严重污染。鉴于极端天气频发和人口增长，其能源需求预计将持续上升，使得研发低能耗热管理技术尤为紧迫。在此背景下，辐射热管理技术——一种通过收集太阳（~5800 K）和太空（~3 K）辐射能的新兴低碳技术——正获得越来越多的关注。该技术涵盖辐射冷却和太阳能加热。前者要求材料在阳光波段（0.3-2.5 μm）高反射、在大气透明窗口（8-13 μm）高发射；后者则需高吸收阳光（用于光热转换）并降低中红外发射（以减少辐射热损失）。然而，当前技术因材料光谱特性固定，缺乏应对季节温度波动的灵活性，常引发过冷或过热问题，反而可能加剧能耗。

动态热管理技术按适应方式分为两类：非自适应（如电致变色器件、机械翻转Janus膜）需要额外能量和外部设备实现切换，可能面临兼容性与模块化挑战；自适应（如温度响应材料）则能随环境温度自动调整光谱，无需外部供能。然而，现有自适应材料（如VO₂热致变色材料、温敏水凝胶）存在显著局限：响应温度不可控，且无法同时调节太阳反射率与大气窗口发射率，导致仅能调控单一波段且幅度有限，限制了实用性。因此，开发响应温度可控、并能对太阳光与大气窗口波段实现高效宽幅调控的自适应技术至关重要。

为解决这些问题，哈尔滨工业大学吴晓宏教授团队设计了一种温度自适应双模管理材料。由于 Janus 阵列的非对称光学特性和温度响应形状记忆特性， TADM 表现出优异的自适应热管理性能和多频带宽振幅控制。 Janus 阵列的冷却侧表现出高太阳反射率（ 90.3% ）和高发射率（ 96.0% ），而 Janus 阵列在加热侧表现出低太阳反射率（ 14.7% ）和低发射率（ 25.4% ）。通过形状记忆过程可逆地改变 Janus 阵列的暴露表面类型，可以获得加热和冷却模式之间的过渡。此外，还对中国主要城市的建筑能耗进行了模拟，以创建节能图，展示了 TADM 的节能效率。这项工作为开发具有出色光学调制的自适应辐射热管理技术提供了一种新策略，也为智能仿生材料中形状记忆 Janus 阵列的设计提供了创新概念。相关工作以 Mimicking Butterflies: Thermal Adaptive Management Material with Shape Memory Janus Arrays 为题发表在 Chemical Engineering Journal 期刊。

2.1 材料的设计理念

自然界是解决技术难题和设计创新功能材料的宝贵灵感源泉。以亚洲常见的Cethosia Biblis为例，其翅膀呈现不对称的Janus 结构。这种结构赋予其非凡的体温调节能力：深色翅面高效吸收阳光促进寒日升温，浅色翅面则反射阳光防止暑热过热。通过动态开合翅膀与鳞片，蝴蝶实现了对环境温度的自适应响应。仿生融合这种 Janus 结构特性与温度响应机制，有望突破现有局限，为下一代多频带、宽动态范围自适应热管理材料的发展创造关键机遇。

图1. 蝴蝶翅膀和TADM在不同天气下的热管理原理示意图。（A）蝴蝶翅膀温度调节示意图。（B）TADM温度调节机制的示意图。

2.2 材料制备及表征

受蝴蝶不对称Janus结构的启发，使用3D打印、复制成型和简单的MXene（Ti3C2Tx）表面改性制造了一种具有形状记忆Janus阵列的温度自适应材料。TADM的辐射冷却模式可以通过将高折射率电介质粒子引入低折射率形状记忆聚合物基质中来获得。温度响应形状记忆材料通过硫异氰酸酯反应获得。为了实现TADM太阳能加热模式，采用MXene和聚多巴胺（PDA）对形状记忆阵列的表面进行改性。这种修改主要利用了MXene的光谱特性，包括高太阳吸收率和低红外发射率。

图2. TADM的制备、表征和光学设计。（A）TADM合成路线示意图。（B）TADM的几何结构参数。（C）0.475μm入射波长下不同直径ZrO2球体周围电场分布的横截面图。入射光的电场和入射光的波矢量分别由E和k象征性地表示。（D）不同直径ZrO2球体散射的模拟散射效率。（E）FTIR光谱。（F）样品的XRD图谱。

2.3 光学特性和形状记忆行为表征

TADM通过形状记忆过程可逆地改变Janus阵列的暴露表面类型。TADM热管理模式的切换与Janus阵列的形态变化密切相关，阵列的形状变化取决于TADM的形状记忆性能。影响TADM形状记忆性能的成分包括PTME和HDI化学交联形成的硬链段，以及具有玻璃化转变的PCL二醇软链段。Janus阵列的初始形状是倾斜状态，阵列内的分子链处于热力学稳定状态，熵最高。当阵列加热到相变温度以上时，分子链的流动性被激活，分子链在外力作用下移动。冷却到相变温度以下，阵列内的分子链被冻结在低熵非平衡状态。再加热后，分子链被激活并自发地恢复到初始状态。因此，阵列可以相应地从临时折叠状态返回到最初始的倾斜状态。

图3. TADM的光学性质。（A）TADM在辐射冷却模式和太阳能加热模式下的光学图像。（B）具有形状记忆过程的Janus阵列的光学图像。（C）TADM不同模式的反射光谱。（D）不同热管理模式的机制示意图。（E）形状记忆机制示意图。（F）TADM分子动力学模拟示意图。（G）不同状态下样品的二维广角X射线散射（2D-WAXS）图像。（H）不同状态下样品的一维广角X射线散射（1D-WAXS）图像。（I）不同状态下样品的小角度X射线散射（SAXS）图像。

2.4 户外实验及节能模拟

图4. TADM的户外实际制冷/制热性能。（A）室外性能测试装置示意图和照片。（B）室外试验场的地理位置和气象资料。（C）露天风速和相对湿度。（D）寒冷天气下室外测试样品的太阳辐射和实时温度变化曲线。（E）不同传热系数下TADM净加热功率的理论计算。（F）露天风速和相对湿度。（G）炎热天气下室外测试样品的太阳辐射和实时温度变化曲线。（H）不同传热系数下TADM净制冷功率的理论计算。

图5.（A）TADM在中国的总节能潜力图。（B）中国22个城市气候条件下TADM和商用白色涂料的年总能耗和总节能。

小结：受蝴蝶翅膀动态光学特性的启发，作者开发了一种基于形状记忆 Janus 阵列的智能的温度响应热管理材料（ TADM ），其制备融合了 3D 打印、复制成型和 MXene 表面改性技术。 TADM 具备卓越的形状记忆能力，阵列可在倾斜 / 折叠状态间可逆变化。利用阵列两面完全对立的光谱特性，通过形状记忆驱动的暴露面切换， TADM 实现了太阳能加热与辐射冷却模式的可逆转换。关键在于，这种模式切换是温度依赖且自适应的—— TADM 能智能匹配环境需求：高温时启动辐射冷却（太阳反射率 90.3% ，大气窗口发射率 96.0% ），低温时激活太阳能加热（吸收率 85.3% ，发射率 25.4% ），后者可使表面温度显著提升 26.3 ℃。模拟研究表明该材料在多种气候区（尤以寒冷地区为甚）节能效益显著。这项工作不仅将形状记忆阵列的应用边界拓展至智能热管理领域，也为下一代可切换仿生材料设计奠定了新范式。

论文信息： Hou, G., Wang, X., Liu, H., Kang, H., Jia, X., Li, Y., ... & Wu, X. (2025). Mimicking butterflies: Thermal adaptive management material with shape memory Janus arrays. Chemical Engineering Journal , 165190.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165190

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