东华大学斯阳教授AM：仿生热装甲突破高温极限，钙钛矿超气凝胶实现600K稳定发光

在极端高温环境下，如冶金、石油化工和消防等领域，能够稳定工作的柔性发光材料对于信息传输、安全监控和设备可靠运行至关重要。然而，现有发光材料在高温下往往面临发光效率下降、颜色不可调、机械性能劣化等挑战。尤其是当前主流的稀土掺杂陶瓷纤维材料，其发射光谱难以调控、带宽较宽，限制了其在高温高清显示和高保真光通信中的应用。因此，开发一种兼具高温稳定性、光谱可调、窄带发射和机械柔性的新型发光材料，已成为该领域的迫切需求。

近日，东华大学斯阳教授受自然界蝴蝶翅膀多级结构的启发，成功研制出一种具有仿生热装甲的钙钛矿发光超气凝胶。该材料通过多尺度自限域策略，实现了从蓝到红的可调窄带发光，并在高达600K的极端温度下展现出优异的光谱稳定性和机械超弹性。该研究为下一代高温柔性照明与显示器件提供了全新的材料解决方案。相关论文以“Bioinspired Thermal Armor Enables Perovskite Meta-Aerogels with Spectrally Tailored Luminescence up to 600 K”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队从蝴蝶翅膀的精细结构中获得了关键灵感。蝴蝶翅膀通过将色素封装在蛋白质复合物中，并限制在高度有序的几丁质多孔腔内，从而实现了色彩的长期稳定。仿照这一原理，研究人员设计了一种多级热装甲结构：首先，将钙钛矿纳米晶体封装在介孔二氧化硅纳米颗粒的纳米通道内，形成稳定的发光颗粒，有效隔绝了外界环境的影响。随后，将这些封装颗粒与二氧化硅纳米纤维、疏水陶瓷粘结剂均匀分散，通过定向冷冻和冷冻干燥技术，构建出具有蜂窝状腔体结构的超轻气凝胶。在该结构中，被封装的钙钛矿被牢固地锚定在由纳米纤维骨架构成的多孔腔内，实现了纳米尺度的封装、微米尺度的腔体限域和宏观尺度的多孔框架保护。

图1 | CsPbX₃@MSNs 发光气凝胶的结构设计与构建 (a) 蝴蝶翅膀的微观结构。 (b) 仿生 CsPbX₃ 发光气凝胶多尺度热装甲设计示意图。 (c) 仿生 CsPbX₃ 发光气凝胶制备过程示意图。 (d) 在酒精灯火焰上受紫外激发的 CsPbBr₃ 发光气凝胶发出绿光的照片。 (e, f) 不同放大倍数下 CsPbBr₃ 发光气凝胶的微观结构。 (g) CsPbX₃@MSNs 发光颗粒的透射电子显微镜图像；插图：CsPbBr₃ 晶体对应的高分辨透射电子显微镜图像。

在光学性能方面，这种仿生多级结构展现出卓越的高温抗淬灭能力。实验表明，在温度从300K升至600K的过程中，普通钙钛矿发光颗粒的发光强度急剧衰减，而具有仿生热装甲的超气凝胶在440K时仍能保持67.7%的初始发光强度，甚至在540K的极端温度下也能保留42.9%。经过多次高低温循环后，超气凝胶的发光性能恢复率也远高于未受保护的钙钛矿颗粒。这种稳定性得益于其分级结构对热量的阶梯式缓冲与再分布，有效降低了钙钛矿发光中心所处的局部温度。

图2 | 高温光学性能 (a, b) CsPbBr₃ 发光颗粒和 CsPbBr₃ 发光气凝胶在加热过程中的原位温度依赖光致发光光谱。 (c) CsPbBr₃ 发光颗粒和发光气凝胶在300K和460K下的光致发光寿命衰减曲线。 (d) CsPbBr₃ 发光颗粒和发光气凝胶经过多次加热-冷却循环后的光致发光强度恢复情况。 (e) CsPbBr₃ 发光颗粒（上）和发光气凝胶（下）在300K至600K连续加热过程中的发光照片。 (f) CsPbBr₃ 发光气凝胶与当前最先进的钙钛矿体系的高温光致发光强度保持率对比。

为了深入理解其抗热淬灭机制，研究团队通过模拟和实验揭示了材料内部的传热过程与结构演变。有限元模拟和红外热成像显示，超气凝胶的层级多孔结构极大地延长了热传导路径，并在不同尺度上引入了热阻，从而在材料内部形成了显著的温度梯度，保护了内部的钙钛矿。同时，高温原位X射线衍射和X射线光电子能谱分析表明，仿生限域有效抑制了钙钛矿在高温下的离子迁移、结构畸变与分解，这是其保持高效发光的关键。

图3 | 抑制热淬灭的机理研究 (a) CsPbBr₃ 发光气凝胶的仿生多尺度热装甲结构与性能关系示意图。 (b) CsPbBr₃ 发光气凝胶在底部温度为300K、420K、540K和660K时的模拟温度分布。 (c) 无孔块体陶瓷（左）和 CsPbBr₃ 发光气凝胶（右）在热场下的模拟3D结构及相应热传导过程。 (d) CsPbBr₃ 发光气凝胶在600K加热台上的光学照片及对应的红外热成像图。 (e, f) 真空中不同温度下测得的Br 3d和O 1s区域的X射线光电子能谱及相应的峰拟合。 (g) 从头算分子动力学模拟得出的 CsPbBr₃ 发光颗粒在300、420、540和660K下的最终结构构型。

除了出色的光学稳定性，该超气凝胶还具备优异的机械性能。压缩测试显示，材料在经历500次压缩循环后仍能几乎完全恢复，仅有3%的不可逆形变，展现出温度不变的超弹性。这种机械韧性源于二氧化硅网络之间的氢键与共价交联的协同作用，为材料提供了坚固的界面基础。

图4 | 机械性能与发光稳定性。

在实际应用展示中，研究团队利用该材料制备了图案化柔性显示元件、高温照明系统以及集成于消防服上的“SOS”求救标志。这些演示验证了材料在极端温度环境下用于柔性显示、安全照明和救援信号传递的巨大潜力。

图5 | CsPbX₃ 发光气凝胶的实际应用 (a) 基于 CsPbX₃ 发光气凝胶的柔性显示示意图。 (b) 紫外激发下不同形状的图案化 CsPbX₃ 发光气凝胶照片。 (c) 紫外激发下 CsPbX₃ 发光气凝胶的可调发光光谱。样品1-7的组分为：CsPbCl₂Br (1), CsPbCl₁.₅Br₁.₅ (2), CsPbClBr₂ (3), CsPbBr₃ (4), CsPbBr₂I (5), CsPbBr₁.₅I₁.₅ (6), CsPbBrI₂ (7)。 (d) 基于 CsPbBr₃ 发光气凝胶的高温照明系统示意图。 (e) 集成 CsPbBr₃ 发光气凝胶的照明系统关闭（左）和开启（右）状态照片。 (f) 高温条件下工作的基于 CsPbBr₃ 发光气凝胶的照明系统照片。 (g) 使用 CsPbBr₃ 发光气凝胶图案化“SOS”标志的消防服示意图。 (h) 紫外激发下消防服上“SOS”标志及黄色镶边照片。 (i) 紫外激发下600K加热板上“S”标志及黄色镶边的光学图像。

这项研究通过仿生多尺度限域策略，成功创制了兼具超轻、柔性、光谱可调、高温发光稳定和结构稳定的钙钛矿超气凝胶。它不仅为高温极端环境下的柔性光电子器件提供了全新的材料平台，其通用的设计理念也可拓展至其他发光体系，有望推动高温冶金、化工和消防防护等领域的技术进步。