ACS Nano|生物启发，一体化，强大的动态被动冷却器，通过溶剂诱导自组装实现温度自适应热调节

研究背景

被动辐射冷却代表了一种新兴的散热技术，由于其在各种应用中的关键作用而引起了人们的极大兴趣，包括可持续建筑，运输，农业，航空航天，纺织品，核能系统和电子产品。直接将热量传递到3 K的外太空，无需任何能源消耗。在环境大气条件下，辐射冷却机制能够维持低于环境的温度，从而确保系统的稳定性并降低过热的风险。辐射设计方法的基石。

辐射冷却材料设计方法的基石围绕两个关键方面来促进散热：（1）通过结合特定化学键的分子水平设计实现的大气窗口发射度（8−13 μm），和（2）高太阳反射率（0.3−2.5 μm），这是由结构设计的散射效应造成的。纳米光子学和超材料的进步导致了具有有效冷却性能的辐射冷却器（50 - 150 W/m2），但它们仍然缺乏在可变热环境中的动态冷却性能。为了实现可变的热管理，已经制造了几种自适应被动冷却系统，包括光敏材料，电诱导材料，和机械可切换材料。通过将辐射冷却器与热管理材料相结合来探索自适应被动冷却的几项研究遇到了限制，例如压力下的液体泄漏、热循环和弱界面粘附，这损害了形状稳定性、机械强度和长期耐久性，从而限制了实际工程应用。大多数具有高界面热阻的辐射冷却材料在热冲击下与热积累和结构稳定性作斗争，从而损害了它们在自加热系统中的性能。因此，开发一体化，能够吸收和耗散热能的坚固耐用的热适应动态被动冷却材料将增强下一代冷却器，使其适用于宽温度范围内的复杂应用。

研究数据

图1.我们的生物学启发，一体化，强大的动态被动冷却器利用溶剂诱导自组装技术的插图。(a)蝴蝶翅膀中天然的分级多孔结构的方案。(b)Bio-D制冷器的制备和微观结构示意图，其中微/纳米多孔相变聚合物网络嵌入到排列良好的分级木材通道中，形成人工分级多孔结构。(c)Bio-D冷却器（尺寸：600 × 200 × 2 mm）的典型照片。(d)通过对Bio-D制冷器与普通辐射制冷器（如：辐射织物和水凝胶，表S5），和常规动态无源冷却器，例如双层动态无源膜。Bio-D制冷器具有113.1J/g的高潜热，具有很强的动态调温能力，其抗拉强度（42.9MPa）高于传统的动态被动式制冷器。(e)雷达图比较了Bio-D冷却器与传统动态被动冷却器（如耐热辐射聚合物）的多个性能，表明Bio-D冷却器具有上级的机械性能和增强的热调节能力。

图2.摩尔翅的显微结构和光学特性。(a)一个尖锐摩尔标本的照片，显示其特征性的白色外观。(b)尖锐湿疣多层鳞片的扫描电镜图像。(c)蝴蝶翅膀的高倍SEM图像，揭示了其分层多孔结构。(d)蝴蝶翅膀的层次多孔结构对反射率的影响。(e)蝴蝶翅膀鳞片的光散射行为的模拟模型，其中包括蝴蝶翅膀鳞片中典型的分级多孔结构。(f)研究了入射光波长（0.3 ~ 2.5 μm）和纳米孔径（0 ~ 550 nm）对模拟蝶翅鳞片反射率的影响。研究结果表明，采用不同孔径的多级散射系统可以提高太阳光的反射率。(g)使用归一化光学模型计算模拟的无孔分级尺度、多孔尺度和分级多孔尺度的全反射率。(h)使用AFM探针垂直于脊排列进行扫描，以表征蝶翼鳞片弹性模量的纳米级变化。

图3.Bio-D冷却器的结构表征。(a)Bio-D冷却器的制造程序包括三个步骤。(b)所制备的一体化Bio-D冷却器样品的SEM图像显示了分级多孔结构。（c、d）Bio-D冷却器与天然木材、脱木质素木材、PEG和PGS的化学结构比较，显示木质纤维素链和相变前体之间通过共价键的原位聚合。（e，f）通过RDG模拟，在乙醇和丙酮溶剂中，相变材料之间的分子相互作用。(g)测定了相变分子与乙醇（3328.7 kcal/mol）和丙酮（2498.3 kcal/mol）分子的结合能。(h)丙酮体系或乙醇/丙酮体系中相变材料在三个方向上的相对浓度。

图4.Bio-D制冷器的光学和热学特性。(a)Bio-D冷却器通过辐射冷却和潜热储存与释放的热管理机制。(b)Bio-D冷却器表现出显著的热能储存能力，在冷冻转变期间的测量值为113.1 J/g，在融化转变期间的测量值为111.8 J/g，这突出了其在能量管理应用中的有效性。(c)脱木素木材和Bio-D冷却器在熔化和凝固转变过程中的光学特性。Bio-D制冷器通过设计的多级多孔结构散射太阳光，并通过固有的分子振动发射红外辐射。(d)相变过程中Bio-D制冷器和PGS的反射光谱的比较表明，由于多级多孔光子结构的工程化，Bio-D制冷器的太阳反射率显著提高。(e)Bio-D冷却器内孔隙的体积浓度，主要孔隙分布范围为0.1−2.5 μm。(f)Bio-D冷却器样品的理论总冷却功率达到接近130.1W/m2。(g)PGS、脱木素木材和Bio-D冷却器的热稳定性。结果表明，Bio-D冷却器的峰值降解温度为408 °C。

图5.Bio-D冷却器的冷却性能和机械性能。（a−c）Bio-D冷却器、PGS和脱木素木材在600秒内的温度变化，在多热环境中测量（在1000 W/m2模拟太阳辐射和100 °C恒定加热器下）。（d，e）在中国长沙测得的Bio-D冷却器、脱木素木材和环境空气的24小时温度演变以及它们的温差。(f)在不同气候区域的五个城市中，比较了有和没有冷却器的典型建筑模型的年能耗。(g)Bio-D制冷机在五个不同气候区城市的节能潜力模拟表明，在寒冷地区，最有效的节能率约为24%。（h，i）PGS和Bio-D冷却器的拉伸强度和模量。(j)Bio-D冷却器的拉伸强度与传统辐射冷却聚合物、相变聚合物和传统动态被动冷却器的拉伸强度进行了比较（表S5）。

研究结论

总之，我们开发了一种多功能动态被动冷却器，它具有温度适应性，坚固耐用，成本效益高，环境友好。这种冷却器具有通过溶剂诱导自组装方法实现的分层多孔结构，允许热管理材料通过共价键合无缝集成到工程木材模板内的长纤维素分子链中。这些材料的结合赋予了BioD冷却器动态冷却性能，使其能够在不同的环境条件下进行有效的温度调节。与传统的辐射冷却器相比，Bio-D冷却器具有增强的动态冷却性能，在中午实现更高的温降（夏季4.9 °C，冬季6.2 °C），在夜间实现更低的温降（夏季1.6 °C，冬季1.2 °C），从而最大限度地减少昼夜温差。此外，具有130.1 W/m2的高冷却功率的Bio-D冷却器与纯相变材料和传统辐射冷却器相比，在多重热冲击下表现出20和5 °C的巨大温降的钉扎效应。此外，Bio-D冷却器具有出色的机械强度，测量值为42.9 MPa，比传统的动态被动冷却器高出近10倍。此外，Bio-D冷却器具有出色的热稳定性和防漏能力，具有简单、可扩展且具有成本效益的制造工艺，可支持大规模应用。一体化和强大的Bio-D冷却器显示了被动辐射冷却器和温度自适应热调节应用的冷却性能管理的巨大潜力，包括抵抗热冲击的巨大通量和扩展辐射冷却和潜热存储的应用。

DOI: 10.1021/acsnano.5c06162

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