蘇州納米所在氣凝膠隔熱保溫新機(jī)制及其按需熱調(diào)控策略方面取得重要進(jìn)展
氣凝膠是一類具有超低密度和熱導(dǎo)率的納米多孔材料，其中以氧化硅氣凝膠為代表的一類氣凝膠具有優(yōu)異的綜合性能，在生物醫(yī)藥、能源、航空航天、催化、傳感、建筑節(jié)能減排等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。1931年首次報道的氣凝膠主要就是氧化硅氣凝膠，迄今將近百年的歷史。對于這種將近百年歷史的材料，最具代表性的應(yīng)用為隔熱保溫（Thermal Insulation），其超低熱導(dǎo)率往往是解釋氣凝膠優(yōu)異熱管理（Thermal Management）性能的首要因素。然而，越來越多的研究結(jié)果表明，氣凝膠在戶外應(yīng)用時，其與環(huán)境的熱交換產(chǎn)生的熱效應(yīng)可能遠(yuǎn)大于低熱導(dǎo)率的影響，即被動太陽光加熱（Passive Solar Heating）、輻射致冷（Passive Radiative Cooling）以及熱傳導(dǎo)（Conductive and Convection）對氣凝膠的熱管理行為起到同等重要的作用。
因此，為了深入探索氣凝膠的熱管理性能，近日中科院蘇州納米所王錦等人設(shè)計合成了系列具有不同光學(xué)性能（包括不同太陽光透過率和中遠(yuǎn)紅外發(fā)射率）的氧化硅氣凝膠，系統(tǒng)研究了自然環(huán)境下氧化硅氣凝膠的熱管理行為，并獲得以下結(jié)果：氧化硅氣凝膠在室內(nèi)環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱保溫性能，與文獻(xiàn)報道的結(jié)果一致，也符合近百年來對氣凝膠熱管理行為的認(rèn)知（圖1）。然而，在室外環(huán)境，由于氧化硅氣凝膠與太陽光和環(huán)境的相互作用，日間表現(xiàn)出極為嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，氣凝膠模擬建筑內(nèi)部溫度遠(yuǎn)高于外界溫度（與理應(yīng)隔絕外界高溫的傳統(tǒng)理念相反），而在夜間又展現(xiàn)出強(qiáng)勁的輻射降溫能力，并未出現(xiàn)“本應(yīng)”隔熱保溫的結(jié)果（圖2）。
圖1. 低熱導(dǎo)率賦予的氧化硅氣凝膠優(yōu)異隔熱性能（a~g）及其機(jī)理示意圖(h)
圖2. 氧化硅氣凝膠的被動太陽光加熱(a)和輻射降溫性能(b)
為此，在前期工作基礎(chǔ)之上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 46569; Nanomaterials 2023, 13, 467)，該團(tuán)隊提出了如圖3所示的氣凝膠隔熱保溫新機(jī)制：即氧化硅氣凝膠的熱管理不僅受低熱導(dǎo)率的影響，而且還受其光學(xué)性質(zhì)的影響；根據(jù)不同的使用環(huán)境，通過調(diào)控氣凝膠的光學(xué)性質(zhì)（如圖3d所示的四個維度），實現(xiàn)氧化硅氣凝膠的按需熱管理調(diào)控（On-demand Thermal Management）。
圖3. 經(jīng)典氧化硅氣凝膠的光學(xué)性能(a,b)、隔熱保溫?zé)峁芾硇聶C(jī)制示意圖(c)以及光學(xué)設(shè)計實現(xiàn)按需熱管理調(diào)控機(jī)制示意圖(d)
在揭示氣凝膠隔熱保溫?zé)峁芾硇聶C(jī)制及其按需熱調(diào)控策略之后，進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)設(shè)計制備了系列具有不同太陽光透過率和中遠(yuǎn)紅外發(fā)射率的氧化硅氣凝膠（如圖4所示），成功地獲得了符合傳統(tǒng)認(rèn)知的熱管理結(jié)果（圖5）：如在炎熱高溫環(huán)境下，采用高太陽光反射率的氣凝膠作為隔熱墻體，成功降低了溫室效應(yīng)及其模擬建筑物內(nèi)部溫度；采用不同發(fā)射率的氣凝膠作為建筑保溫材料時，發(fā)射率越低，其被動降溫效果越弱。最后在同時具有高太陽光反射率和低發(fā)射率的氣凝膠模擬建筑物內(nèi)放置相變材料（提供初始熱能），成功地實現(xiàn)了夏季極端高溫天氣下的日間降溫（內(nèi)部溫度低于外界環(huán)境溫度）以及秋冬寒冷環(huán)境的保溫（內(nèi)部溫度高于外界環(huán)境溫度）（圖5e，5f）。
圖4. 氧化硅氣凝膠光學(xué)性能（可見光透過率和反射率、中遠(yuǎn)紅外發(fā)射率）的調(diào)控策略
圖5. 氧化硅氣凝膠光學(xué)性能調(diào)控實現(xiàn)自主按需熱管理應(yīng)用
該工作不僅發(fā)現(xiàn)氧化硅氣凝膠的“怪異”熱管理行為，而且揭示了其原因，并在此基礎(chǔ)之上提出了氣凝膠隔熱保溫新機(jī)制及其調(diào)控策略，最終實現(xiàn)氧化硅氣凝膠的按需熱管理調(diào)控。相關(guān)研究結(jié)果有助于重新認(rèn)識近百年發(fā)展史的氧化硅氣凝膠，為充分發(fā)揮氣凝膠的極致熱管理能力提供重要參考和調(diào)控策略，特別為自然環(huán)境下最大發(fā)揮氣凝膠的隔熱保溫性能提供設(shè)計原理，為如何使用氣凝膠、完美實現(xiàn)氣凝膠的熱管理行為、以及助力建筑節(jié)能減排提供科學(xué)依據(jù)和解決方案，該工作以Optical Design of Silica Aerogels for On-Demand Thermal Management為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室碩士生王靜，通訊作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室王錦項目研究員和李清文研究員。該論文獲得了國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目以及蘇州市科技局基礎(chǔ)研究試點項目等資助。
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