瞿金平院士领衔，华科大AM：受生物出汗启发！研发仿生相变逻辑门材料，实现电子设备自主热管理

随着高密度集成技术的发展，现代电子设备的热管理模式正经历根本性转变。热量产生已从过去较为均匀、温和的分布，演变为高度局部化、瞬时性强且高度依赖于运行状态的动态热负载。然而，传统被动散热策略本质上是开环控制，缺乏对实时热状况的适应能力。相变材料虽具备较高潜热，但仅作为热容有限的被动蓄热元件，无法应对持续或波动的发热；而无约束的蒸发冷却则缺少内源反馈机制，只能产生单调的温度驱动响应，无法区分设备处于待机还是峰值工作状态。这一根本缺陷凸显了亟需开发具备自主反馈能力的智能热管理系统的迫切性。

受生物体体温调节机制的启发，华中科技大学瞿金平院士、卢翔教授、夏宝玉教授合作，提出了一种全新的自主热管理策略。他们将固-液相变编码为分子逻辑门，成功开发出一种名为“Perspire X”的仿生相变逻辑门材料。该材料能够像人体出汗一样，在温度超过特定阈值时自主触发增强型蒸发冷却，实现“感知-判断-执行”的闭环热管理（图1a）。相关论文以“Bio-Inspired Phase-Transition Logic Gates for Autonomous Thermal Management”为题，发表在Advanced Materials上。

在该体系中，聚乙二醇（PEG）不仅充当热缓冲剂，更作为主动感知与门控元件（图1b）。低于相变温度时，PEG结晶使聚合物网络处于致密锁水状态，水分子被氢键牢固束缚，水传输通道关闭。一旦温度超过PEG熔融阈值，PEG转变为无定形态，降低了聚合物链重排的能垒，网络膨胀并开启水传输通道。由此，PEG充当了分子级逻辑门，动态调控网络的溶胀比、水扩散系数、蒸发速率及吸湿能力。通过选用不同分子量的PEG，该逻辑门的开启温度可在0.53°C至31.38°C范围内调节，特征熔融温度则可从36.65°C变化至59.62°C（图1c），使其可适配从低温可穿戴设备到高功率集成电路的多样化热管理需求。

图1 | 仿生相变逻辑门用于自适应能量与物质传输。(a) 底层机理示意图。(b) Perspire X在熔融过程的差示扫描量热(DSC)曲线。(c) 含不同分子量PEG的冷却材料的熔融温度。

为从分子层面揭示相变门控机制，研究团队开展了密度泛函理论计算（图2a）。结果显示，PEG链中的氧原子和烷基骨架分别作为亲核和亲电位点，而P(AA-co-SSS)共聚物网络中的磺酸根、羧基和羟基氧原子作为给体位点，亚甲基和羧基上的氢原子则作为受体位点。网络与PEG之间互补的亲电/亲核位点促进了牢固的氢键形成，有效抑制了PEG在高温下的泄漏。同时，磺酸根和羧酸根等亲核基团的高密度有利于形成强配位键，抑制锂离子泄漏，确保材料在长期循环工作中的稳定性。

变温红外光谱和二维相关光谱分析进一步揭示了相变驱动的有序响应过程。同步谱中PEG链段与磺酸基团的协同响应表明，加热引发PEG链构象转变与磺酸基团水化状态协同演化（图2b）。异步谱显示PEG相关谱带响应先于磺酸基团谱带，证明相变并非被动吸热，而是主动触发宏观输运网络重构的开关（图2c）。在羟基区域，不同强度氢键随温度的时序响应序列表明，相变行为引发磺酸根基团水化重构及氢键定向重排，为水分子传输和蒸发提供了更多自由体积（图2d、2e）。

图2 | 相变逻辑门机制。(a) 密度泛函理论(DFT)计算展示PEG与聚合物网络之间的相互作用能量及氢键构型。(b) Perspire X的同步和(c)异步二维相关光谱(2D-COS)图。红色表示两个温度依赖谱变之间呈正相关，表明同一方向的协同变化，而蓝色表示负相关，反映两个谱带呈相反的变化趋势。(d) Perspire X在羟基伸缩区的同步和(e)异步2D-COS图。

通过液态核磁共振拟合，研究团队计算了Perspire X在30°C（关态）和60°C（开态）的水扩散系数，切换比约为2.14。对照不含PEG的PASL水凝胶在同一温度范围仅表现出约1.68的扩散切换比，证明Perspire X的扩散增强并非仅源于普通热加速，而是额外增加了约1.27倍的相变诱导增强因子（图3a）。热重分析显示，Perspire X的失水过程呈现“缓慢减少-突变-快速减少”三阶段特征，失水速率在逻辑门开启前后由2.53%/分钟跃升至3.11%/分钟，表明水传输受相变逻辑门开关控制，而非连续的热激活行为（图3b）。

为量化相变门控冷却行为，研究团队创新性地定义了逻辑门控品质因子（LG-FOM），其值为水扩散系数切换比与蒸发速率切换比的乘积。计算所得LG-FOM为2.62，直接证明相变逻辑门可将水传输行为离散化为两种高度可区分的稳定运行状态。此外，干燥Perspire X的DSC测试定义了PEG门的热滞窗口约为5°C，表观响应时间和热复位时间分别约为9.89分钟和3.5分钟（图3c、3d）。

图3 | 相变门控水传输与脱附动力学。(a) Perspire X和PASL在30°C和60°C下的水扩散系数。(b) Perspire X的热重分析曲线及不同阶段的线性拟合失水速率。(c) Perspire X在不同温度下的脱附曲线。(d) 相变门控水传输与蒸发增强机理示意图。

在吸湿与溶胀性能方面，Perspire X展现出反常的温度依赖性（图4a）。与普通吸湿材料吸湿量随温度升高而降低不同，Perspire X在PEG熔融后因网络松弛暴露更多吸湿位点，80°C下的吸湿量反而高于30°C。溶胀比在60°C时相较25°C增长超过4倍，验证了相变诱导网络结构松弛（图4b）。通过调整LiCl含量可系统调控吸湿动力学（图4c、4d），且Perspire X在高温高湿下具有更高的平衡吸湿量，而PASL则呈现相反趋势（图4e）。相变门控脱附增强机理如图4f所示。

图4 | 相变调控吸湿行为。(a) PEG、PASP和Perspire X的温度依赖性吸湿性能。(b) Perspire X在不同温度下的溶胀比。(c) 不同LiCl含量(0、10、25和40 wt%)的Perspire X的吸湿动力学。(d) 不同盐负载量Perspire X的温度依赖性吸湿曲线。(e) PASL 40和Perspire X 40在80°C、20%和80% RH下的吸湿容量。(f) 相变门控脱附增强机理示意图，强调PEG熔融与水捕获之间逻辑门控耦合。

在器件级冷却性能验证中，Perspire X展现出显著优势（图5a）。当芯片温度从30°C突升至120°C时，Perspire X覆盖的芯片在40-60°C区间出现明显温度平台，有效延长了温升时间。在芯片稳定工作温度73°C下，干燥Perspire X仅能维持19.2分钟冷却，而含水Perspire X可稳定冷却172.7分钟（图5b）。当芯片温度升至105°C时，Perspire X相比干燥态实现约20.8倍有效冷却时长延长，并将稳定器件温度降低至94°C。密封对照实验进一步证实，Perspire X的芯片级冷却贡献主要源于水蒸发，而非PEG本身的相变吸热。在31°C低温条件下，即使逻辑门未开启，Perspire X仍能依靠持续低速率蒸发提供可观冷却效果，展现出非单一层次的分层闭环反馈架构。

在力学性能方面，Perspire X兼具高弹性、柔韧性、抗穿刺性和自愈合性能。其残余应变仅2.49%，远低于PASL的5.9%；能量损耗系数为22.71 kJ/m³，显著优于PASL的95.26 kJ/m³（图5c）。拉伸强度达122.3 kPa，约为PASL的14.2倍。500次循环压缩后最大压缩应力仅下降8.67 kPa，展示出优异的循环稳定性。对基材的搭接剪切强度在木材上达100.6 kPa，硅片上为72.5 kPa，确保了高效热提取所需的共形耐久界面接触。

在循环稳定性测试中，Perspire X在六个连续加热-冷却循环内可将芯片温度稳定在74°C，并在空闲阶段从环境中自主吸湿再生，平均水合复位时间为8.58小时（图5d）。非挥发性组分的质量保持率达99.86%，FTIR和XRD结果证实了PEG网络和相变相关结构的完好保存。

图5 | Perspire X冷却器的持久优异冷却性能。(a) 涂覆PASL和Perspire X冷却器的器件的温度-时间曲线，突出PEG相变的作用。(b) 无涂层器件及涂覆干燥Perspire X和Perspire X冷却器的器件在6 V施加电压下的温度-时间曲线。(c) PASL、PASP和Perspire X冷却器的残余应变、能量耗散系数和最大压缩应力对比，数据提取自循环压缩测试。(d) 温度-时间曲线和质量-时间曲线，展示Perspire X冷却器在六个连续加热-冷却循环中的循环冷却稳定性。

综上所述，该研究将固-液相变编码为物理逻辑门，在软物质网络中实现了自主热稳态调节的全新范式。通过定量定义LG-FOM为2.62，证实了该相变逻辑门可将热吸收与质量传输离散化并强耦合，实现冷却能力的非线性和协同放大。这种内在的“感知-判断-执行”机制使材料能够自主应对动态热环境。在测试条件下，逻辑门控协同效应实现了相较传统相变材料20.8倍的有效冷却时长延长；即便低于阈值温度，Perspire X仍能维持稳健的热缓冲和低速率蒸发，保证连续基线调节。此外，永久共价交联与密集动态氢键的理性集成赋予材料优异的力学韧性及共形基材粘附，保障了长期运行可靠性。更广泛而言，这一逻辑门控设计超越了传统相变或蒸发冷却材料的局限，在无需外部控制条件下实现了持续且按需响应的热调节。除先进电子热管理外，该分子逻辑门设计为“感知-判断-执行”耦合系统提供了通用平台，在智能防伪、可控药物释放及自适应织物等领域展现出重要应用潜力。