全球范围内，供暖与制冷能耗持续攀升，传统 HVAC 系统依赖化石燃料并产生大量温室气体排放，亟需开发无需外部能源、可自适应环境变化的个人热管理技术。然而，现有被动辐射材料往往只能单一方向工作（要么制热要么冷却），缺乏智能调控能力，难以在动态环境中实时维持人体热舒适。如何在同一平台内集成太阳能加热和主动冷却并实现连续可调，成为可持续热管理领域的核心挑战。
为解决上述难题，北卡罗来纳大学教堂山分校白武斌教授、杜克大学Willie J. Padilla教授合作，报道了一种全固态、可溶液加工的自变色皮肤（ACCS）。该器件受变色龙皮肤启发，能够在仅 ±1.3 V 电压驱动下，同时调控太阳光谱（0.3–2.5 μm）吸收率（变化 ~40%）和中红外大气窗口（8–13 μm）发射率（变化超过 50%），且无需持续耗电即可保持状态超 24 小时。户外测试显示，加热与冷却模式间可逆温差高达 15.5°C，单块智能手机电池即可支持超过 200 次全范围切换。所有功能层均可通过滴涂或卷对卷工艺制备，兼具柔性与可扩展性，为智能穿戴与建筑节能提供了全新平台。相关论文以“Solution-processed electrochromics for synergistic solar and radiative heat management”为题，发表在
Nature Sustainability上。
研究团队设计的 ACCS 采用多层叠层结构（图 1b）：中心为固态 Al₂O₃-离子凝胶电解质，两侧为聚苯胺-樟脑磺酸（PANi-CSA）电致变色电极，外覆蛇形金集流体和聚乙烯封装层。当施加 –1.3 V 至 0.8 V 电压时，器件可在冷却与加热模式间连续切换：冷却模式下白色离子凝胶反射太阳光，浅绿色 PANi-CSA 向外太空辐射热量；加热模式下深绿色 PANi-CSA 吸收太阳光并抑制中红外辐射损失。实验证实该器件可紧密贴附手指、耐受扭曲（图 1e,f），并能通过溶液法制备 420 mm × 580 mm 的大面积原型（图 1g），展现了从可穿戴到大尺度环境控制的广阔前景。
图 1 | ACCS 的设计及其可见光与红外光热管理可调光学特性。 a. 受变色龙启发的体温调节概念：寒冷条件下深色皮肤用于太阳吸收（左），炎热条件下浅色皮肤用于反射（右）。b. ACCS 的分解示意图：多层结构，中心为白色离子凝胶（P(AAm-co-AA)-EMIES），夹在 PANi-CSA 和金蛇形层之间，并用对可见光和红外透明的 PE 层封装。c. 工作原理：施加电压使 PANi-CSA 在翠绿亚胺态（深绿色，用于加热）和 leucoemeraldine 态（浅绿色，用于冷却）之间切换。d. 基于 ACCS 的可穿戴服装示意图，通过优化寒冷天气（左）、炎热天气（右）或任何中间阶段的体温，确保用户舒适度、健康和生活质量。e. ACCS 缠绕在手指上的照片，展示其适应曲面区域的能力。比例尺，5 cm。f. ACCS 被大力扭曲的照片。比例尺，6 mm。g. 尺寸为 420 mm × 580 mm × 2 mm 的 ACCS 照片。比例尺，200 mm。插图：ACCS 的放大视图。比例尺，10 mm。
ACCS 的可调热管理能力源于 PANi-CSA 的金属-绝缘体转变。循环伏安曲线显示（图 2a），PANi-CSA 在 无色翠绿碱（LS）、翠绿碱（ES）和深红碱（PS）三种氧化态间可逆转变。LS 态（–0.3 V）呈透明状、中红外发射率高，对应冷却模式；ES 态（+0.5 V）呈深绿色、太阳吸收率高且中红外发射率低，对应加热模式。发射率光谱（图 2c）表明，在大气窗口内 PANi-CSA 的发射率调制幅度达 53.7%（图 2d），同时可见光颜色可从浅绿连续调至深紫（图 2e 及附图）。与电聚合 PANi 相比，溶液浇铸 PANi-CSA 因更高电导率、结晶度与厚度（>6 μm），实现了更优的光学调控（图 2f）。
图 2 | ACCS 主要组成层 PANI-CSA 的电化学和光学性质实验表征。 a. 测得的 PANI-CSA 循环伏安图，在 1.0 M CSA 水溶液的三电极池中记录，扫描速率 50 mV s⁻¹，铂片为对电极，Ag/AgCl 为参比电极。扫描从相对于 Ag/AgCl 的 0 V 开始。b. LS、ES 和 PS 的化学结构和光学性质示意图，分别代表递增的氧化态。c. 在不同电压下记录的 PANI-CSA 的实测 FTIR 光谱，突出了在人体热辐射相关的 8–13 μm 范围内的可调性。d. 在 –0.3 V 至 +0.8 V（相对于 Ag/AgCl）的外加电位范围内，PANI-CSA 在 8–13 μm 范围内的实测加权平均发射率。插图：大气透射谱突出了 8–13 μm 波长区域与热辐射的强相关性。e. PANI-CSA 在三种电致变色态下的实测紫外-可见吸收光谱，即原始态、–0.3 V（最大冷却模式，LS）和 +0.5 V（最大加热模式，ES），并标出了加权平均值。同时给出了 AM1.5 太阳光谱作为参考。f. 比较电聚合薄 PANI 层 (i) 和溶液浇铸厚 PANI-CSA 层 (ii) 之间光学对比度变化机制的示意图。
通过紫外-可见-近红外光谱和红外椭偏测量结合 Drude-Lorentz 振子拟合，研究团队深入揭示了 PANi-CSA 的光学行为。角度依赖发射率二维云图显示（图 3a），器件在倾斜角度下仍保持稳定性能。发射率随厚度与波长的变化关系（图 3b）表明，当厚度超过 2 μm 后发射率趋于饱和，反射主要来自空气-PANi 界面。紫外-可见-近红外吸收对比图（图 3c）显示，+0.5 V 与 –0.3 V 下吸收差异在 1000 nm 附近最大，而中红外发射率几乎与厚度无关（图 3g），这一发现指导了薄膜厚度的优化策略。
图 3 | ACCS 主要组成层 PANI-CSA 光学性质的计算表征与优化。 a. 模拟的二维云图，展示了厚度为 6 μm 的 PANI-CSA 薄膜的角度依赖发射率。b. LS 和 ES 之间发射率对比度随 PANI-CSA 厚度和波长变化的模拟等高线图。c. 对于单层 PANI-CSA，在 +0.5 V 和 –0.3 V 偏压之间吸收率差异的色图，展示了太阳吸收的可调性。d–f. 不同氧化态 PANI-CSA 薄膜的复折射率实部 (n) 和虚部 (k)。g. 在 +0.5 V 和 –0.3 V 下，模拟和实验确定的 PANI-CSA 反射率光谱对比。所有模拟结果均基于椭偏测量数据。
为兼顾柔性与稳定性，团队合成了 P(AAm-co-AA) 共聚物离子凝胶（图 4a），并掺入 Al₂O₃ 纳米粒子增强太阳光反射。优化后的离子凝胶（0.9 g Al₂O₃ / 4.06 cm³）电导率达 4.88×10⁻⁴ S cm⁻¹，平均反射率 73.04%（图 4b,c）。封装层选用聚乙烯，其与蛇形金集流体复合后在紫外-可见-近红外和中红外波段均保持 ~90% 透过率（图 4d），且蛇形设计较网格具有更高机械鲁棒性。与现有热管理技术对比（图 4e–g），ACCS 在柔韧性、开关速度、发射率调制幅度和全固态稳定性方面综合优势显著。
图 4 | ACCS 其他组成层的表征及性能概览。 a. 离子凝胶组成示意图：在 EMIES 中含有嵌入 Al₂O₃ 纳米颗粒的 P(AAm-co-AA)。PAA，聚丙烯酸；PAAm，聚丙烯酰胺。b. 对嵌入不同质量 (0.6–1.0 g) Al₂O₃ 纳米颗粒的离子凝胶样品（凝胶质量 6.145 g）进行阻抗测量的 Nyquist 图。插图：用于拟合的等效电路，其中 Qₑₗ 是电极界面电容的常相位角元件，Qc 是离子凝胶-Al₂O₃ 体电容的常相位角元件，Rc 是凝胶的总电阻。c. 添加了 0.6–1.0 g Al₂O₃ 纳米颗粒的离子凝胶的实测紫外-可见-近红外反射率光谱。d. 层压有 Au 蛇形集流体网（厚度 ~1 μm）的 PE 薄膜（厚度 ~16 μm）的实测透射光谱。左插图：薄膜覆盖在印刷实验室标志上的光学图像。比例尺，1 cm。右插图：薄膜在加热至 37°C 的热板上的热像图。比例尺，1 cm。e–g. 将 ACCS 与早期热调控装置在柔韧性和开关时间 (e)、材料相态和发射率可调性 (f)、以及工作光谱范围和可实现模式数量 (g) 方面的比较分析。阴影圆圈和条带对文献中报道的相关研究进行了分组（引文编号已在括号中给出）。对于 f，MWIR 和 LWIR 分别表示中波红外（3–5 μm）和长波红外（8–14 μm）。后缀 S 和 IR 表示工作光谱区域（分别为太阳光和红外光）。连接数据点的线表示相连的端点属于同一器件。在 g 中，蓝色条表示仅冷却器件，黄色条表示仅加热器件，双色线表示双模式操作。光谱区域边界处的不一致表示给定模式在不同光谱区域产生相反的效果。g 中横轴上的缩写：PLA，聚乳酸；PTFE，聚四氟乙烯；NPs，纳米颗粒；poly(Vdf-HFP)，聚偏氟乙烯-六氟丙烯；PEO，聚环氧乙烷；TPX，聚甲基戊烯；PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯；DOP，邻苯二甲酸二辛酯；PMP，聚(4-甲基-1-戊烯)；PDA，聚多巴胺；PVDF，聚偏氟乙烯；PL，聚酰亚胺；TPU，热塑性聚氨酯；AgNWs，银纳米线；ITO，氧化铟锡；PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯；PEDOT:PSS，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐；PDPA，聚二苯胺；pNIPAm，聚(N-异丙基丙烯酰胺)；LDPE，低密度聚乙烯；Li-NMC，镍锰钴酸锂。
热成像验证了 PANi-CSA 的可调发射特性（图 5a）：35–75°C 热台上，–0.3 V 下薄膜呈亮色（高发射），+0.5 V 下呈暗色（低发射）。原始态 PANi-CSA 还能反射人手的热辐射（图 5b），证明其本征辐射调控能力。在温控腔体内的热损失测量表明（图 5c,d），通过动态调节发射率，ACCS 可使热损失稳定在人体代谢热水平（~109 W m⁻²）附近。北卡罗来纳州教堂山户外 24 小时实测显示（图 5e,f），在正午辐照峰值 1250 W m⁻² 下，加热与冷却模式温差达 15.5°C，性能优于商用冷却织物。
图 5 | ACCS 热管理性能的实验验证。 a. PANI-CSA 在冷却模式（左列，施加电位 –0.3 V vs. Ag/AgCl）和加热模式（右列，施加电位 +0.5 V vs. Ag/AgCl）下，置于 35–75°C（自上而下）热板上的红外热像图。比例尺，1 cm。b. 原始 PANI-CSA 薄膜反射人体手部辐射的红外热像图，突出了其在原始态的高红外反射率。比例尺，2 cm。c. 用于热损失测量的温控腔体示意图。d. 在不同环境温度（16–25 °C）下，从 ACCS 在各种体温调节模式（加热、冷却和动态调谐）下测得的热损失。彩色横条标示了一个代表性的、用户可选的热损失窗口，接近人体代谢热（~109 W m⁻²）。数据以平均值 ± 标准差表示，n = 3 次测量。e. 北卡罗来纳州教堂山屋顶实验装置的照片。装置包括 2 片 ACCS（一片处于加热模式，另一片处于冷却模式）、一片商用冷却织物（100% 棉织物）、一个太阳能功率计和一个定制的温度采集系统。f. 十月某 24 小时期间测得的实时太阳辐照度以及 ACCS（加热和冷却模式）和商用冷却织物的温度。
器件在 ±1.3 V 偏压下可实现快速可逆切换，且各状态可保持超 21 小时（图 6a）。单次切换能耗仅 20.8–59.2 mWh m⁻²，智能手机电池可支持 2 m² 面积超 210 次循环。团队进一步集成了蓝牙低功耗柔性电路板与 0.3 W 太阳能电池（图 6b），实现净零能耗闭环控制。有限元分析表明腕带式 ACCS 在弯曲时应变极低（图 6c），且器件具备防水与抗压能力。实际穿戴演示中（图 6d–f），ACCS 可根据阴天（~16°C）与晴天（~21°C）环境自动切换加热与冷却模式，并通过智能手机实时监测皮肤温度、湿度与工作状态。
图 6 | ACCS 的鲁棒性、温度稳定、可持续性和可穿戴性演示。 a. 在 132 小时间歇性（20 秒）施加电压偏置至 ACCS 期间，ACCS 的颜色变化和电流变化的循环时间序列，电压扫描顺序为从 –1.3 V 到 +0.2 V 到 +0.5 V 到 +0.8 V 再回到 –1.3 V。比例尺，1 cm。b. 用于个人体温调节的闭环系统功能框图。该系统包括一个腕带式 ACCS、一个示意图渲染的用户界面、一个作为电源的柔性太阳能电池板，以及一个用于供电和数据处理的 fPCB。LED，发光二极管。c. 腕带式 ACCS 的 FEA。ε 表示应变。d, e. 阴天 (d) 和晴天 (e) 时 ACCS 在人体手腕上的照片。ACCS 分别被偏置为深绿色外观的加热模式 (d) 和浅绿色外观的冷却模式 (e)。环境温度（深绿色线）、皮肤温度（橄榄绿色线）、相对湿度（黄色线）、施加的电压偏置（浅橙色线）、ACCS 红外发射率（深橙色线）和相对热通量（红线）被无线发送到智能手机。比例尺，5 cm。f. 在人体手腕上进行无线操作的 ACCS 演示。除 ACCS 外，可穿戴系统还集成了温度和湿度传感器、基于 BLE 的无线控制模块以及一个小型柔性太阳能电池板。
综上所述，这项研究提出的 ACCS 将多光谱电致变色 设计理念与可持续热管理需求深度融合，为减少建筑能耗、实现分布式个人热舒适提供了可行技术路径。尽管目前仍存在白天亚环境冷却能力不足、聚合物宽带发射率限制冷却效率等问题，但未来通过纳米光子结构设计与聚合物微观结构优化，有望进一步提升光谱选择性与调控精度。这种可溶液加工、柔性、低功耗的 自适应热管理平台，将在智能穿戴、自适应建筑围护结构等领域发挥重要作用，助力全球碳中和与气候适应目标。
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