文獻(xiàn)前沿| Adv. Funct. Mater.：全天候被動(dòng)冷卻與建筑一體化的多模態(tài)仿生結(jié)構(gòu)

輻射蒸發(fā)協(xié)同被動(dòng)冷卻為建筑熱管理提供了一種有前途的可持續(xù)策略，但將上級(jí)光學(xué)特性與有效的水分管理和結(jié)構(gòu)魯棒性相結(jié)合仍然具有挑戰(zhàn)性。本文從植物根-土協(xié)同機(jī)理出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種仿生水凝膠-水泥雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由水凝膠上層和多孔水泥下層組成，上層負(fù)責(zé)光譜調(diào)節(jié)和蒸發(fā)冷卻，而下層則提供機(jī)械加固，并通過(guò)土壤連續(xù)吸水，不規(guī)則的Al2O3納米顆粒在水凝膠中產(chǎn)生多尺度多孔結(jié)構(gòu)，這增強(qiáng)了光散射，并實(shí)現(xiàn)了97.87%的顯著太陽(yáng)能反射率以及99%的中紅外發(fā)射率。因此，雙層系統(tǒng)在強(qiáng)烈的陽(yáng)光下達(dá)到低于環(huán)境溫度9°C的溫度下降。降雨后，冷卻增強(qiáng)達(dá)到14°C，儲(chǔ)存的水維持蒸發(fā)冷卻超過(guò)五天。這項(xiàng)工作證明了光學(xué)調(diào)節(jié)，水分管理，和界面增強(qiáng)，為建筑物中的自適應(yīng)輻射蒸發(fā)冷卻材料提供了一種新的設(shè)計(jì)范例。相關(guān)工作以A Multimodal Biomimetic Structure for All-Weather Passive Cooling and Building Integration為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。

本文受植物根-土協(xié)同機(jī)制啟發(fā)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的仿生水凝膠-水泥 bilayer結(jié)構(gòu)（HCBS），上層為Al?O?/CaCl?改性PAM水凝膠，下層為多孔水泥基材料，通過(guò)機(jī)械互鎖與化學(xué)配位實(shí)現(xiàn)強(qiáng)界面結(jié)合（圖2）。水凝膠內(nèi)部多級(jí)孔結(jié)構(gòu)賦予其97.87%的太陽(yáng)反射率和99%的中紅外發(fā)射率（圖3）。CaCl?的引入增強(qiáng)了吸濕性，在90% RH下吸水率達(dá)0.23 g/g（圖4）。戶(hù)外測(cè)試表明，干燥條件下HCBS可實(shí)現(xiàn)9 °C亞環(huán)境降溫，雨后飽和狀態(tài)下降溫提升至14 °C，且儲(chǔ)水可持續(xù)蒸發(fā)冷卻超過(guò)5天（圖5）。該 bilayer結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了輻射制冷與蒸發(fā)制冷的全天候協(xié)同，為建筑節(jié)能提供了新思路。

圖1雙層被動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念和優(yōu)點(diǎn)。（a）植物根系和土壤的機(jī)械錨定和水分調(diào)節(jié)。（B）HCBS的多模態(tài)被動(dòng)冷卻，在潮濕或多雨條件下捕獲大氣水分，并在陽(yáng)光下通過(guò)蒸發(fā)輔助輻射冷卻釋放水分，形成自我維持的冷卻循環(huán)。（c）雙層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中水凝膠頂層與Al2O3納米顆粒和CaCl2結(jié)合，在干燥時(shí)形成多孔網(wǎng)絡(luò)。

圖2雙層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和界面特征。（a）水泥基基材（灰色）和HCBS（白色）的照片。（B）煤層氣的三維孔隙分布。（c）不同加熱條件下HCBS頂面和底面之間的溫差（煤層氣厚度：（d）橫截面SEM圖像和相應(yīng)的EDS圖，顯示了界面上的元素分布。（f）在50個(gè)濕-干循環(huán)和50天的水浸泡之后樣品的光學(xué)圖像，（g）水合波特蘭水泥和PAM水凝膠分子之間的結(jié)合能和電荷密度差。（h）IGMH散點(diǎn)圖說(shuō)明界面結(jié)合相互作用。

圖3水凝膠層的光學(xué)特性。（a）作為粒徑和入射波長(zhǎng)的函數(shù)的不規(guī)則Al2O3顆粒的散射效率。（B）Al2O3的粒度分布（頂部）和水凝膠的孔徑分布（底部）。（c）水凝膠微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。（d）水凝膠的FTIR光譜。（e）1 cm厚的水凝膠層的太陽(yáng)反射率（左）和中紅外發(fā)射率（右）光譜，AM 1.5太陽(yáng)光譜（藍(lán)色）和大氣透明度窗口（粉紅色）供參考。（f）水凝膠在干燥、潮濕和濕潤(rùn)狀態(tài)下的太陽(yáng)反射光譜。（g）水凝膠在整個(gè)太陽(yáng)光譜上的加權(quán)太陽(yáng)反射率及其在UV，可見(jiàn)光，和近紅外區(qū)域。（h）在干燥、潮濕和濕潤(rùn)條件下，水凝膠在大氣窗口內(nèi)的發(fā)射光譜。

圖4水凝膠和HCBS的水調(diào)節(jié)行為。（a）在不同相對(duì)濕度條件下水凝膠的飽和吸水。（B）在十個(gè)連續(xù)循環(huán)中水凝膠的吸濕-解吸行為。（c）由毛細(xì)水傳輸驅(qū)動(dòng)的仿生蒸騰策略的示意圖。（d）在一維吸水過(guò)程中單層水凝膠和HCBS的質(zhì)量變化。（e）在氙燈照射下單層水凝膠、CBM和六氯代苯磺酸的質(zhì)量變化。（f，g）放置在60 ℃加熱板上的干燥和潤(rùn)濕的六氯代苯磺酸的時(shí)間依賴(lài)性紅外圖像和相應(yīng)的溫度演變。

圖5 HCBS的室外冷卻性能。（a）室外溫度測(cè)量設(shè)置的示意圖。（B）2025年7月18日環(huán)境、水凝膠單層和HCBS的實(shí)時(shí)溫度。（c）8月17日環(huán)境、HCBS和CBM的實(shí)時(shí)溫度，沿著太陽(yáng)輻照度。2025.（d）計(jì)算出的六溴二苯醚與環(huán)境以及煤層氣之間的溫差。（e）2025年8月14日至20日干、濕六溴二苯醚隨時(shí)間變化的溫度，以及包括環(huán)境溫度在內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，（f）2025年8月14日至15日期間干燥和潮濕的HCBS之間的計(jì)算溫差。（g，h）作為溫度降低和相對(duì)濕度的函數(shù)的在干燥（g）和潮濕（h）狀態(tài)下的HCBS的冷卻功率。

小結(jié)：綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一種仿生雙層結(jié)構(gòu)，通過(guò)將水凝膠層與多孔水泥基基底相結(jié)合，將輻射冷卻和蒸發(fā)冷卻集成在一起。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)、機(jī)械魯棒性和耐久性被動(dòng)冷卻。該設(shè)計(jì)建立了光學(xué)調(diào)節(jié)、濕度管理和機(jī)械約束的三重協(xié)同機(jī)制。通過(guò)保持光學(xué)、濕度、機(jī)械約束之間的動(dòng)態(tài)平衡，和機(jī)械領(lǐng)域，它有效地克服了在傳統(tǒng)水凝膠系統(tǒng)中常見(jiàn)的溶脹不穩(wěn)定性。通過(guò)引入納米填料和形成多尺度多孔結(jié)構(gòu)，水凝膠層表現(xiàn)出出色的光譜調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了97.87%的高太陽(yáng)反射率和99%的中紅外發(fā)射率摻入CaCl2進(jìn)一步增強(qiáng)了水凝膠的吸濕能力，使得能夠在潮濕或后應(yīng)變條件下進(jìn)行連續(xù)的水分捕獲和蒸發(fā)冷卻。不僅提供機(jī)械支撐，而且通過(guò)毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)水的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，確保結(jié)構(gòu)完整性和持續(xù)的水補(bǔ)充。雙層結(jié)構(gòu)通過(guò)機(jī)械互鎖和化學(xué)粘合實(shí)現(xiàn)強(qiáng)界面結(jié)合，顯著提高整體機(jī)械完整性和擴(kuò)大水凝膠在建筑圍護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的冷卻性能在各種天氣條件下的性能，在陽(yáng)光直射下可實(shí)現(xiàn)約9°C的溫度降低，在水飽和時(shí)可達(dá)到14°C。此外，其逐漸釋放的水允許延長(zhǎng)蒸發(fā)冷卻，保持額外的冷卻效果長(zhǎng)達(dá)五天。擬議的雙層設(shè)計(jì)提供了一種將水凝膠摻入建筑材料的新方法，其對(duì)于推進(jìn)自適應(yīng)輻射蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有重要的科學(xué)意義。

論文信息：Wang, Y., Xie, D., Zhao, Y., Shen, F., Feng, S., Liu, Z., ... & Liu, C. (2026). A Multimodal Biomimetic Structure for All‐Weather Passive Cooling and Building Integration. Advanced Functional Materials, e75993.

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