摘要

哈尔滨工业大学帅永教授、王富强教授与香港中文大学Long Yi教授在快速隐身及智能光热调控功能材料领域取得突破性进展。针对目前可见光快速隐身和智能太阳光热调控难以兼容的难题，该团队提出了一种受鱿鱼皮肤启发的微图案热致变色水凝胶，构建了仿生热致相态转变与力致形貌转变耦合调控全维度（频率、空间与角度）辐射特性新机制，将隐身响应时间由传统180秒缩短到1秒。这种新的调控机制为多功能光学应用开辟了新的途径。

导读

近日，哈尔滨工业大学帅永教授、王富强教授与香港中文大学Long Yi教授联合提出了一种受鱿鱼皮肤启发的微图案热致变色水凝胶。该工作构建了仿生热致相态转变与力致形貌转变耦合调控全维度（频率、空间与角度）辐射特性新机制，破解了智能光热调控与可见光快速隐身难以兼容难题，将隐身响应时间由传统180秒缩短到1秒。这一创新材料具有低成本、可规模化生产的优势，可应用在智能窗、绿色植物工厂、军事设备隐身、防伪标识等多个领域。该研究成果以“Bio-inspired micropatterned thermochromic hydrogel for concurrent smart solar transmission and rapid visible-light stealth at all-working temperatures”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

目前，全球每年约有15%的电力能源用于中和太阳加热导致的温度上升，以营造舒适的工作温度环境。具有热致变色功能的水凝胶能够随温度变化而自动调节其对太阳光谱的透射特性，从而实现智能太阳光热调控，在节能领域具有巨大应用潜力。然而，热致变色水凝胶只能通过温度（热）刺激来调控其对太阳光谱的透射特性，因此仅在高温条件下表现其可见光隐身(VLS)的能力。此外，VLS的响应时间高达180秒。在这样缓慢的响应过程中，需要通过被热致变色水凝胶隐藏的敏感信息可能已被泄露，这显示出热致变色水凝胶无法满足军用（隐身伪装）和民用（隐私保护）的快速隐身需求。因此，迫切需要开发一种能同时实现快速可见光隐身和智能太阳光热调控的新技术，以满足军民两用的需求。

亮点1 构建了仿生热致相态转变与力致形貌转变耦合调控辐射特性新机制

借鉴鱿鱼皮肤的变色机理，提出了一种仿生微图案热致变色水凝胶（MTH）。这种MTH利用热致相态转变和力致形态转变的耦合效应，实现了对其全维度（频率、空间与角度）辐射特性的调控，构建了一种新的辐射特性调控机制。

MTH的辐射特性调控机制如图1所示：一方面，热致变色水凝胶依靠其特殊的光学特性，在高温（热应力）的刺激下，其内部分子链间聚集导致水凝胶从无色透明状态转变为白色不透明状态，从而阻挡太阳光。此外，这种相态转变是可逆的，当水凝胶的高温刺激撤去时，其内部分子间通过氢键与水分子形成良好的相互作用，使得水凝胶再次回到无色透明状态。这种随温度自适应变色的机制很好地借鉴了鱿鱼皮肤色素细胞的变色机制，赋予了MTH智能光热调控的能力。另一方面，在压力刺激下，MTH的表面形貌会发生可逆形态转变，使得MTH可以在可见光直接透射和漫透射之间任意切换。这种压力调控MTH的辐射特性的机制，赋予MTH快速的VLS能力，并将VLS响应时间由传统的180秒缩短到1秒内。

图1 仿生热致相态转变与压力致形貌转变耦合调控辐射特性新机制

亮点2 低成本、简单模板法赋予MTH规模化应用潜力

利用成本低廉且适于大规模化生产的柔性砂纸作为模板，成功制备了不同尺寸的MTH。MTH的制备流程如图2所示，通过在双层夹腔玻璃平板上添加一层柔性砂纸即可制成MTH模具，将水凝胶前驱体溶液加入到模具中进行凝胶化反应，随后剥离砂纸模板即可制备出最终的MTH。这种方法不仅简便高效，而且成本低廉，能够实现大面积生产，极大地增强了MTH的规模化应用潜力。最终制备出的不同尺寸的MTH展示在图3中。

图2 MTH制备工艺流程

图3 不同尺寸的MTH在不同状态下的外观图片

应用前景

制备出的MTH破解了智能光热调控与可见光快速隐身难以兼容难题。当其作为智能窗用于建筑节能时，相比于热致变色水凝胶智能窗而言，MTH智能窗不仅具有节能的作用，而且还可以保护隐私。在节能方面，相比于市面流行的Low-E节能玻璃，MTH智能窗在办公时间（9:00–17:00）可将室内空气温度至少降低8℃，至多降低15.1℃（实验结果）；在世界大多数城市均实现至少200MJ/m2的年度节电量（仿真结果）。此外，相关实验证实了MTH可满足军事装备快速VLS的需求，MTH还可用于智能植物工厂和防伪材料。MTH在军事装备快速VLS和智能植物工厂的应用验证如图4所示。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图4 MTH的可见光快速隐身效果及植物保护效果

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01525-y