透明、隔热新材料问世，登上Science！

在建筑能耗不断攀升的今天，窗户成了“最薄弱的环节”。虽然它们只占建筑外立面约 8% 的面积，却贡献了近 50% 的热量流失——冬天漏热、夏天漏冷，怎么都不省心。现有解决方案如透明气凝胶、真空玻璃等，要么成像模糊、难以大尺寸制造，要么成本过高、密封可靠性不足。最核心的瓶颈在于：想要透明，就必须做得像玻璃一样均匀；想要隔热，又必须像气凝胶一样“多孔轻盈”。如何在纳米尺度上同时兼顾光学与热学指标，是长期悬而未决的挑战。

今日，美国科罗拉多大学 Ivan I. Smalyukh教授团队给出了一项颠覆性答案：他们构建了一类被称为 MOCHI（Mesoporous Optically Clear Heat Insulators）的新型介孔透明隔热材料，通过控制纳米管网络的尺寸、取向与孔结构，实现了 >99% 可见光透过率、<12 mW·m⁻¹·K⁻¹ 的超低导热率（低于静止空气），还能扩展到平方米级薄膜与厘米级厚板。透明度媲美玻璃，却隔热性能堪比火星探测车用的高端气凝胶，为窗户、天窗以及太阳能热利用带来了全新的材料选择。相关成果以“Mesoporous optically clear heat insulators for sustainable building envelopes”为题发表在《Science》上。

一种“冻住空气”的透明材料是如何炼成的？

MOCHI 的制造过程从液晶表面活性剂的自组装开始。当 CPCL（十六烷基吡啶氯化物）在溶液中形成柱状胶束时，研究团队加入 MTMS（甲基三甲氧基硅烷）并用酸催化使其水解，再用 TEMED 促使其交联成固体骨架。在（图1a）（图1b）展示的制备体系中，这些胶束像“3D 模板”一样，规定了最终纳米管网络的尺寸与分布。完成凝胶化后，材料经过水–乙醇交换，再用超临界 CO₂ 干燥，将孔隙完全替换为空气，自此得到整体孔径均一、结构连续的透明介孔材料。透射电镜图像（图1c）显示出类似“树枝状网络”的纳米管结构，进一步的三维断层重建（图1e–1g）揭示这些纳米管在几十纳米尺度上呈现有序排列，非常接近“固体版的空气管道”。每个纳米管的壁由聚硅氧烷组成（图1j），孔径约为 5–30 nm，小到远低于光波波长，也远低于空气分子自由程（约 60 nm），这对材料的光学与热学表现至关重要。

图1：MOCHI 的多尺度结构

透明度为什么能比玻璃还高？

当光透过 MOCHI 材料时，由于折射率与空气极其接近（仅 1.025–1.03），光几乎不会发生反射或散射。图2b 显示，即便在超过 70° 的大角度入射下，其透过率仍保持在 90% 以上，而同场对比的玻璃在约 40° 后就几乎完全不透明。这意味着 MOCHI 可以让窗户“更像不存在”，在实际应用中带来更好的采光体验。更夸张的是，两个 MOCHI 板材只需轻轻压在一起，就能在界面上形成“光学接触”（图2e），使界面完全消失，透过率瞬间提升（图2f）。相比之下，玻璃之间很难做到这种效果，因为表面硬且不贴合。这种柔性、高透界面，让 MOCHI 可以无缝拼接成任意尺寸的透明隔热面板。此外，材料还表现出轻微的双折射效应（图2c），在激光下呈现类似“光学单晶”的周期散射条纹（图2b 小图），表明其纳米管网络在宏观尺度上也具有一定方向性，这是特殊干燥条件造成的“自发取向”结果。

图2：光学性能

隔热性能为何能比空气还强？

MOCHI 的隔热表现远超科学界原先的认知。在图3展示的测试中，材料在约 90% 孔隙率下出现极低的导热率，仅 10–12 mW·m⁻¹·K⁻¹，甚至低于静止空气，这源于其纳米管孔径小于空气分子自由程，使热量难以在气体中传播；而由聚硅氧烷构成的细长管壁又进一步增加了固体网络的“绕路”难度，加上材料在热红外波段对辐射的吸收与再发射作用，使热流被有效“困”在外侧。研究团队将 MOCHI 板材封装入玻璃制成隔热单元（图3c–3f），结果显示这些窗户在寒冷条件下仍保持高度透明，且热漏显著低于常规双层玻璃，热阻 R 值可达 2.64–3.65 m²·K·W⁻¹，接近墙体级别的保温水准。同时，由于其三维纳米网络能散射声波，MOCHI-IGU 在 1–5 kHz 频段的隔音性能也优于传统双层玻璃。材料自身还能通过激光切割形成复杂形状（图3g），并在长期环境老化测试后依旧保持稳定结构，展现出实用化潜力。

图3：隔热表现

透明隔热还能发电？MOCHI 的太阳能热捕获能力

图4进一步展示了 MOCHI 在太阳能热捕获上的“隐藏技能”。它对可见光与近红外高度透过，却强烈阻隔热红外，使进入的太阳能几乎无法逃逸，从而在黑体吸收板上产生类似温室效应的热积累（图4a）。实测表明，在自然日照下吸收板温度可升至约 300°C（图4b），达到无聚光太阳能系统的最高纪录之一；而在高温下材料对短波红外的半透明特性，则让部分热量重新逸出，形成图4c–4d 所示的平衡过程。基于全球太阳辐射模拟（图4e），研究者估算只需几块平方米级 MOCHI–太阳能板，便能满足美国多数地区独栋住宅采暖与制冷的大部分能耗，并在图4f 中可视化了不同地区所需的面板数量。这意味着 MOCHI 不仅能让窗户更节能，还可能让建筑成为自供能的热能收集系统。

图4：太阳能热捕获应用

小结

总体来看，MOCHI 的出现打破了“透明”和“隔热不可兼得”的传统认知：它能像玻璃一样清澈，又能像墙体一样锁住热量，还具备隔音、可加工、可大面积扩展等特性。从提升窗户能效，到实现太阳能热利用，它展示了材料设计在纳米尺度上的巨大潜能。随着工艺逐步成熟，这类“透明超隔热材料”有望真正走向建筑、能源和日常生活，让未来的窗户不仅更省能，也更聪明、更具功能性。