AFM：以企鹅为灵感的Janus热管理复合薄膜实现超高动态宽带微波调制

论文信息： W.Zhou, H.Fan, H.Zhang, et al. “Penguin-Inspired Janus Composite Film for Thermal Management Enabling Ultrahigh-Dynamic Broadband Microwave Modulation.” Advanced Functional Materials (2026): e75426.

论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.75426

研究背景

随着全球能源危机的加剧以及现代社会向高度智能化、互联化的急速演进，能够在复杂环境中实现人体或设备热舒适与电磁兼容的材料变得愈发重要。在众多候选技术中，辐射冷却与光热转换技术为实现零能耗的热管理提供了极具前景的路径。然而，传统的热管理材料往往受其固有的静态光学与电磁特性所限，难以应对动态变化的外界环境。

例如，在需要保暖时它无法有效吸光升温，而在酷暑时又难以阻挡太阳辐射。更为棘手的是，现代通信设备与精密电子仪器不仅要求材料具备高效的热调节能力，还要求其能够自适应地调控微波信号以避免电磁干扰。尽管近年来科学家们尝试引入石墨烯、MXene或液晶弹性体等智能材料，但大多数方案要么只能单纯实现热或电磁的单维度调控，要么在微波调制时无法兼顾极低的插入损耗与极高的屏蔽效能。此外，真实应用场景中的雨雪结冰等恶劣环境，也对材料的长期耐久性提出了严峻挑战。因此，开发一种能够打破热与电磁调控壁垒的多功能智能材料，成为了该领域的关键命题。

研究内容

为了突破上述多重限制，研究团队将目光投向了自然界极其严酷环境——南极的“居民”企鹅。企鹅利用其背部与腹部羽毛对阳光的差异化调控来实现体温平衡，同时其羽毛表面的微纳结构与脂质涂层赋予了它们卓越的防水抗冻能力。受此启发，研究人员设计了一种可扩展制造的VO₂基仿生Janus复合薄膜，巧妙地将动态热调控与宽带微波调制集成于一体。

图 1. 受企鹅启发的动态Janus薄膜示意图，用于热管理与微波调控，展示了其双模制冷与制热能力可适应不同环境，并实现动态微波调制。

一切始于对核心智能材料VO₂的精细化改造。研究人员首先采用静电纺丝技术结合煅烧工艺，制备了具有高长径比的VO₂纳米纤维（NFs），并利用全氟辛基三乙氧基硅烷（FAS）对其进行表面修饰。这种氟硅烷改性不仅大幅提升了VO₂纳米纤维在聚合物基体中的分散均匀性，有效防止了团聚，还在其表面引入了具有极低表面能的含氟基团。随后，团队通过简单的溶液浇铸与热压工艺，将含有FAS-VO₂纳米纤维的聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）复合层（光热层）与掺杂了SiO₂微球和多孔结构的PVDF-HFP层（辐射制冷层）结合，最终得到了轻质、柔韧且可大面积制备的Janus复合薄膜。

图 2. Janus复合薄膜的制备、结构及化学表征。（a）制备过程示意图；（b）薄膜实物照片；大面积Janus薄膜：（c）冷却侧，（d）VO₂侧；（e）FAS修饰VO₂纳米纤维的扫描电镜（SEM）图像；（f）VO₂纳米纤维的透射电镜（TEM）图像及其对应的选区电子衍射（SAED）图样；（g）白色冷却层的SEM图像；（h）VO₂层的SEM图像；（i）原始VO₂纳米纤维、FAS修饰VO₂纳米纤维及VO₂复合薄膜的X射线衍射（XRD）图谱；（j）上述三种样品的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱；（k）VO₂纳米纤维与FAS修饰VO₂纳米纤维的X射线光电子能谱（XPS）全谱；（l）VO₂纳米纤维与VO₂复合薄膜的差示扫描量热（DSC）曲线。

在微观表征确认了材料成功构建后，研究团队系统性地评估了其双向热管理性能。实验结果表明，该薄膜的两侧展现出了截然相反的光谱特性：光热层凭借VO₂的本征强光吸收以及粗糙表面带来的光捕获效应，实现了高达94.5%的太阳吸收率；而制冷层则利用多孔结构与内部掺杂的SiO₂微球产生的强烈米氏散射，实现了超过90%的太阳反射率，并在大气窗口（8-13 μm）内保持了97.1%的高红外发射率。这种极致的光谱对立性转化为了卓越的实际温控能力——在户外真实环境测试中，光热层在太阳辐射下最高可达87℃，而制冷层则能稳定将温度维持在低于环境温度4℃至12℃（平均降幅达8℃）。即便在零下20℃的极端严寒中，光热层依然能产生约35℃的温差，展现了极强的环境适应性。

图 3.Janus薄膜的光热调控性能。（a）制冷侧与VO₂侧的太阳反射率和红外发射率光谱。（b）VO₂侧在不同太阳辐照度下的温度变化。（c）制冷侧在不同太阳辐照度下的温度变化。（d）户外制冷/供热性能：温度与太阳辐照度变化曲线。（e）太阳照射下，置于植被上方的Janus薄膜的红外热成像图。

与此同时，研究人员深入探究了该薄膜在微波频段的动态调控行为。这一切的奥秘在于VO₂独有的“金属-绝缘体相变”（MIT）特性。当环境温度升高至约68℃时，VO₂的晶格结构会发生突变，导致其电导率在极窄的温度区间内飙升四个数量级。团队巧妙地利用了这一物理特性：在室温（20℃）下，VO₂处于绝缘态，Janus薄膜表现出极低的微波插入损耗（仅0.78 dB），允许超过80%的微波信号无碍通过（透射态）；而当温度升至100℃（或在户外利用自身光热效应升温至80℃）时，VO₂转变为金属态，薄膜表面形成了类似于金属的趋肤效应，将微波屏蔽效能（SE）瞬间推高至32.1 dB以上，阻挡了超过99.9%的入射微波能量（屏蔽态）。这种从“全通透”到“全隔离”的无缝切换，在8.2至40 GHz的宽频范围内均表现卓越。

图 4. Janus薄膜的动态微波调控性能。（a）复合薄膜的温度依赖性方阻。（b）动态电磁透射–屏蔽机制示意图。（c）室温下的插入损耗（IL）及100℃下的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE），测试频段涵盖X、Ku、K和Ka波段。（d）不同频段内的平均透射系数（T）。（e）平均屏蔽效能（SET、SEA和SER）随温度的变化关系。（f）平均功率系数A、R和T随温度的变化关系。

最后，为了验证该材料在真实复杂环境中的服役寿命，团队对其表面性能进行了严苛测试。得益于FAS改性带来的低表面能与VO₂纳米纤维构建的微纳粗糙结构，该Janus薄膜展现出了接触角约为150°的优异超疏水性。这不仅意味着雨水无法在其表面附着（自清洁效应），更关键的是，这种拒水特性显著延缓了表面结冰时间，并在除冰测试中表现优异，彻底解决了传统多孔辐射制冷材料易受环境污染和结冰困扰的痛点。经过50次从20℃到100℃的冷热循环后，其微波调控性能依然保持稳定，未发生任何明显衰减。

图 6. Janus薄膜的超疏水性与抗结冰性能。（a）不同液体滴在Janus薄膜上的数码照片。（b）Janus薄膜的接触角与滑动角。（c）水滴在Janus薄膜表面表现出的低黏附行为。（d）薄膜VO₂侧延缓结冰现象的照片。（e）不同材料表面结冰时间的对比。（f）室外环境下水滴随时间推移发生结冰行为的观测照片 。

结论与展望

本研究成功打破了热管理与电磁调控之间的物理壁垒，通过仿生设计与智能材料的深度融合，开发出一种具备多重防御机制的VO₂基Janus复合薄膜。模拟企鹅羽毛的双向调温和超疏水机制，实现了单一材料在光谱与电磁域的协同调控。总之，这项研究开发了一种Janus复合薄膜，旨在同时缓解智能系统中动态热管理和微波调制的挑战。通过利用其两侧不同的光学属性，该薄膜实现了可调的双向热调节。同时，VO2基层的电导率的显著变化使微波能够在高透射态和高屏蔽态之间进行宽带切换，表现出可与最近报道的动态微波调节材料相媲美的可调性。表面超疏水改性赋予了材料抗冰、除冰及自清洁功能，确保了户外长期服役的稳定性。

这种轻薄、柔性且可大面积制备的智能薄膜，在未来卫星通信系统的自适应射频前端、第五代（5G）移动通信天线的抗干扰覆盖层，以及航空航天飞行器的蒙皮热控系统中均蕴含着巨大的应用潜力。随着制备工艺的进一步成熟与成本降低，这种多维度的智能调控材料有望加速走出实验室，赋能下一次工业革命的技术革新。

下面是会议通知：