文献前沿丨Advanced Materials：受光保护植物叶片启发的水凝胶恒温器：潜热与辐射进行热调控

白杨等植物具有光保护功能，可以动态调节光学特性，在高温下驱散过多的热量，而在寒冷条件下通过凝结释放潜热保持温暖，具有良好的环境适应性。受这一自然策略的启发，本研究提出了一种基于水凝胶的恒温器(LRT)，它可以平衡潜热和辐射热流。该系统将锂离子和羟丙基纤维素(HPC)集成到聚丙烯酰胺基质(PAAM)中，具备动态太阳反射、高红外发射率和可逆水吸附-解吸能力。该恒温器通过调节羟丙基纤维素和锂离子的浓度来实现热致变色和吸湿响应，并通过加入二氧化钛纳米颗粒和进行表面处理，增强了机械的耐用性。实验和模拟展现了不同条件下的制冷和供暖的能力，彰显了该系统作为一个全季节热调节平台的潜力。相关工作以Hydrogel Thermostat Inspired by Photoprotective Foliage Using Latent and Radiative Heat Control为题发表在Advanced Materials期刊。

本研究的恒温器(LRT)由Li-HPC-PAAM水凝胶组成，其中HPC作为热致变色成分，Li+作为吸湿剂。以白杨为灵感的潜热辐射恒温器(LRT)的概念和性能如图1所示，LRT模式切换取决于两个临界温度：露点温度(Tdew)和较低临界溶液温度(LCST)。当恒温器(TLRT)的温度低于Tdew时，它会吸收大气中的水分，释放潜热；当TLRT在Tdew和LCST之间时，水从LRT中蒸发，实现蒸发冷却；当TLRT超过LCST时，HPC分子由于甲基之间的疏水相互作用产生聚集，增加了太阳反射率，从而提高了制冷效率。

LRT水凝胶的光学调控和水分调节特性如图2所示。在夜间，无论季节如何，LRT都会吸收大气中的水分，释放潜热(加热模式)。在白天(通常是TLRT＞Tdew)，LRT内部的水吸收近红外波段，实现太阳加热。在夏天，蒸发抵消并超过太阳的吸收，实现蒸发冷却和辐射冷却相结合。当TLRT上升到LCST以上时，透明度的变化以增强太阳的反射率，从而使制冷效率最大化。在Tdew以下，LRT通过潮解和形成结晶水吸收大气水分以实现潜热释放。在Tdew以上，发生相反的过程，实现蒸发冷却。

实际应用中LRT的可调性和机械稳健性如图3所示。在环境适应性方面，增加HPC浓度提高了不同温度下透过率的差异；调节Li+浓度以调节蒸发冷却的能力。在机械稳健性方面，纳米二氧化钛提高了LRT的机械强度、酸碱等环境耐性、光学稳定性。

LRT的室外测量装置和结果如图4所示。LRT在寒冷条件下表现出较高的温度(Tair＜25 °C)，在炎热条件下表现出较低的温度(Tair＞25 °C)，证实了双向热调节性能。通过与辐射制冷RC对比，突出了LRT在不同的环境条件下维持一定温度的和的热调节能力。在冬天加热能力强(最高供暖温度比RC高3.5 °C)，在夏天制冷能力强(亚环境制冷温度比RC低1.7 °C)。

实际和极端条件下LRT穹顶结构的热调节性能如图5所示。研究设计了一个穹顶形状的LRT结构(LRT穹顶)，评估LRT在封闭环境中的现实适用性，以及在室外和受控条件下的热调节性能。在低温的条件下，LRT穹顶的表面温度更高(比RC拱顶高2.6 °C，节省了1.5 kJ·m−2的加热能量)。在高温条件下，LRT穹顶变得不透明，屋顶表面温度低于RC穹顶(比RC拱顶低4.6 °C，节省了0.2 kJ·m−2的制冷能耗)。在室外热气流循环的条件下，穹顶的内部温度波动更稳定，共节省了6.7 kJ·m−2的能源。

图1.以白杨为灵感的潜热辐射恒温器(LRT)的概念和性能。(a)白杨叶片温度调节示意图：凝结释放潜热；(i)水分充足条件下的蒸腾作用；(ii)缺水条件下通过卷叶使腹毛暴露提高太阳反射。(b)潜热辐射恒温器模拟自然的工作机制：再生，(i)蒸发，(ii)太阳反射。(c)温度相关的微观和分子尺度机制。在TLRT＜Tdew，吸附水汽释放潜热。在Tdew＜TLRT＜LCST，蒸发产生冷却效益。在TLRT＞LCST，透明度变化增强了太阳反射。(d)白杨树叶和(e) LRT的温度模拟图，展现了太阳吸收能力(Asol)和环境空气温度(Tair)的函数关系，以及有无水时的低于环境温度的降温(蓝色区域)和高于环境温度的供暖(红色区域)，其中(i)、(ii)、(i)’和(ii)’分别是白杨和潜热辐射恒温器的温度调节策略。(f)根据当地天气数据对潜热辐射恒温器的温度进行全年模拟。(g)模拟了七个气候区域在最佳太阳能吸收能力下，潜热辐射恒温器相比于辐射冷却器以及其他屋面涂料，单位面积所产生的节能量(ΔSmin)。(h)潜热辐射恒温器ΔSmin全球地图。

图2.LRT水凝胶的光学调控和水分调节特性。(a) LRT季节性和日间热管理示意图。LRT自动在潜热释放、太阳能加热、蒸发/辐射冷却、太阳反射冷却之间切换，实现了冬/夏和昼夜条件下的被动式热管理。(b)测量了LRT在25°C(蓝色)和55°C(红色)之间0.3至16 μm的反射率和发射率光谱，表现出较高的红外发射率和动态太阳反射率。(c)透过率-温度(Tr-T)曲线的一阶导数，表明LCST在45 °C左右；(d)在LCST前后的可见光到近红外区域的透过率光谱，表明了其依赖于温度的光学调控方式。(e)由于热致变色，LRT处于透明(25°C，上)和不透明(55°C，下)状态的照片。(f) LCST以下(上图)和以上(下图)的HPC-AAm水凝胶的扫描电子显微镜图像和相应的孔径分布。微米到纳米尺度的孔径变化增强了高温下的光散射。(g) LRT通过溴化锂的潮解和随后进行溶液吸附实现水分再生的流程示意图。(h)测量了70%相对湿度下的循环吸附-解吸性能，表明在55 ℃下3小时稳定蒸发和25 ℃下12小时实现再生。

图3.实际应用中LRT的可调性和机械稳健性。(a) LRT在25°C(蓝色)和55°C(红色)下的可见光(TVIS)和太阳(TSOL)透过率随HPC/AAM重量比的变化。(b) LRT的LCST随HPC浓度的变化。(c)水接触角是Li+浓度的函数。(d)在70%相对湿度下加热(55°C)和冷却(25°C)循环期间，LRT的质量随Li+浓度的变化。(e) 15%和35%Li+浓度LRT(LRT15%和LRT35%)的水蒸气吸附等温线(上)和导数(下)。(f和g)不同Li+浓度的LRT在(f)冷衬底和(g)热衬底上的蒸发行为示意图和在高湿度条件下测量的表面温度。(h)不同二氧化钛浓度下LRT的拉伸应力-应变曲线。(i)在沸水、酸(HCl)、碱(NaOH)和氧化剂(H2O2、APS)中暴露3天后的重量保持。(j)不同基材(玻璃、不锈钢、PDMS、VHB)在三种条件下的界面韧性：未经表面处理(w/o处理)、表面处理(w/处理)和热循环(加热)。(k)循环拉伸后Tvis和TSOL的稳定性。

图4.LRT在室外动态条件下的自适应恒温性能。(a)室外试验场白天和夜间晴朗、多云和雾霾的天空状况的照片。(b)LRT和RC之间的日间平均表面温差(ΔTavg)和环境温度(Tair)的函数关系。LRT在寒冷条件下表现出较高的温度(Tair＜25°C)，在炎热条件下表现出较低的温度(Tair＞25°C)，证实了双向热调节性能。(c)冬季(2023年12月28日至29日)的42小时连续测量表明，由于白天的太阳加热，LRT的温度比环境空气高3.5°C，而辐射冷却RC的温度低于环境温度。(d)夏季(2023年9月4日至5日)的42小时测量，LRT通过联合辐射和蒸发机制保持高达3.7°C的亚环境冷却，表现优于RC。粉色和蓝色阴影区域分别表示LRT相对于RC的供热和制冷优势。这些结果突显了LRT在不同季节和天气条件下自主维持热舒适区附近温度的能力。

图5.实际和极端条件下LRT穹顶结构的热调节性能。(a)LRT穹顶和相应的换热机制示意图，包括吸收太阳能功率(PSUN)、发射功率(PRAD)、净蒸发功率(Pwater)和大气热辐射(Patm)。考虑了两种衬底条件：反射体(冷)和吸收体(热)。(b)低衬底温度和高衬底温度下LRT和RC穹顶的光学(左)和红外(右)图像。(c，d)在(c)冷和(d)热衬底条件下，室外测量太阳辐照度(上)、内部穹顶温度(中)，以及与RC穹顶(下)相比估计的加热/制冷能量节约。(e)在不同的衬底下，LRT和钢筋混凝土穹顶之间六天的平均温差。(f)模拟外部热源，测试对循环热空气暴露的响应的实验装置示意图。(g)周期性热空气流动条件下钢筋混凝土和LRT拱顶的实时内部温度分布。(h)加热循环期间最高(Tmax)和最低(Tmin)穹顶温度的比较。绿色虚线表示热舒适阈值(TCool↔heating= 23°C)。(i)保持舒适范围所需的估计能源，与RC相比，LRT穹顶的能源需求减少了6.7 kJ·m−2。

小结：本研究受白杨启发，通过协同调节潜热和辐射热传递，提出了一种被动式水凝胶恒温器，实现了被动适应环境、双向热控制和建筑集成等功能，为节能热管理提供了可持续和适应不同气候的解决方案。

论文信息：Heo, S. Y., Kim, H. R., Shin, Y., Lee, H. S., Kwak, H., Kim, D. H., ... & Song, Y. M. (2025). Hydrogel Thermostat Inspired by Photoprotective Foliage Using Latent and Radiative Heat Control. Advanced Materials, e16537.

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