清华大学张如范团队《Accounts of Materials Research》述评：基于化学产品工程的光热调控材料设计新思想

【导言】

近日，清华大学化工系张如范副教授团队在国际学术期刊Accounts of Materials Research发表述评文章“Optical-Thermal Regulation Materials: A Product-Engineering Design Logic from Application Demands to Multifunctional Material Realization”，提出了一套基于化学产品工程理念的光热调控材料设计思想。该工作系统总结了光热调控材料从性能优化到实际应用过程中面临的关键挑战，并提出以应用需求为起点，通过精准光谱解耦、功能基元组装、过程优化和工程验证实现材料性能、制备过程与应用需求协同匹配的新型设计框架，为推动光热调控材料由实验室研究向实际产品转化提供了新的设计思路。

图1 基于化学产品工程理念的光热调控材料设计思想。

论文链接：https://doi.org/10.1021/accountsmr.6c00233

【图文导览】

光热调控材料是通过调节材料的光学性质和热辐射性质来实现光学功能调控和有效热管理的新型功能材料。根据调控方式不同，光热调控可分为被动式调控和主动式调控。被动式光热调控依靠材料自身纳米结构和光学性质实现固定光谱响应，例如辐射制冷材料通过高太阳反射率和中红外高发射率实现无需能耗的降温；主动式光热调控则利用外部刺激改变材料光谱特性，例如电致变色材料可根据环境变化动态调节太阳光透过能力。近年来，随着辐射制冷、电致变色等技术的发展，光热调控材料已在建筑节能、人体热管理、车辆热管理以及安全防护等领域展现出广阔应用前景。

然而，随着材料从实验室走向实际应用，仅追求单一性能指标已经难以满足复杂应用需求。实际产品不仅需要优异的光热调控能力，还需要兼顾长期稳定性、规模化制造、成本控制以及复杂环境适应性。因此，如何建立从应用需求到材料设计的系统化路径，成为光热调控材料进一步发展的关键。

在传统材料研究中，研究人员通常从材料组成和微观结构出发，通过不断优化材料性能，实现更高的光热调控效果。例如，辐射制冷材料研究重点在于提高太阳光反射能力，并增强在大气窗口波段的红外发射；电致变色材料研究重点在于更大的调制范围和更快的响应速度。然而，当光热调控材料在面向实际环境应用时，需要面临复杂的实际环境与规模制备上的约束，例如，面向建筑的材料需要考虑长期户外耐候性和大面积制造兼容性；人体热管理材料需要兼顾舒适性、柔性和可穿戴性能等。因此，光热调控材料的设计并不只是单一的性能优化，而是要综合考虑光热调控性能和多种性能搭配的综合收益，即应用真正需要什么性能？如何稳定、低成本地实现这些性能？

针对上述问题，张如范团队提出了将化学产品工程理念引入光热调控材料设计的思想。化学产品工程区别于传统以过程优化为核心的化学工程模式，更加强调从产品功能和应用需求出发，将材料组成、结构设计、制备过程和最终性能进行系统关联。不同于材料导向的正向设计逻辑，该设计逻辑从实际应用需求出发，反向确定所需光谱功能、材料结构以及制备过程。基于这一理念，团队提出了化学产品工程理念引领的光热调控材料设计新逻辑，具体包括四个阶段。首先，在应用需求分析阶段，张如范团队从具体使用场景出发，系统分析光照条件、传热路径、环境条件和服役需求等边界因素，将复杂应用需求转化为明确的光学、热学及工程性能指标。随后，在光谱逆向解耦阶段，张如范团队根据不同波段在能量传递过程中的功能需求，对太阳光谱和热辐射过程进行分区调控，通过精准设计材料在不同波段的反射、透射、吸收和发射特性，实现目标光谱构筑和选择性调控。在此基础上，进行功能基元组装，依据“组成—结构—光谱—功能”之间的构效关系，将不同材料组分设计为承担特定光学或热学功能的功能基元，并通过颗粒尺度、孔结构、界面结构、层级结构及器件构型的协同调控，实现跨尺度单元的有序组装与耦合。最后，通过性能验证与评价，综合考察材料的光热调控能力以及耐候性、可靠性、可制造性和实际应用适配性，并将评价结果反馈至材料设计和制备过程，形成闭环迭代。

【图文导览】

近年来，张如范团队基于化学产品工程设计思想，围绕不同应用场景下的热量传递规律和功能需求，建立了从需求定义、功能设计、材料构筑到工程验证的系统开发路径。团队通过组分设计、结构调控和制备过程优化，构建了一系列面向实际应用的光热调控材料与器件体系，覆盖建筑热管理、车辆热管理、人体热管理以及红外隐身与防伪等领域，推动光热调控材料由单一性能优化向面向应用需求的产品化设计发展。

建筑围护结构是光热调控材料的重要应用领域，其核心挑战是在满足对光照需求的同时降低太阳辐射带来的热负荷。包括透明围护结构（例如窗户）和非透明围护结构（例如墙壁）。透明光热调控建筑围护结构需要对不同波段太阳光进行精准管理，在保持可见光透过的基础上，实现对近红外热辐射的抑制或对中红外热量释放的调节。通过材料选择、界面设计以及光学结构构筑，可以实现透明性与热管理性能之间的协同优化，为未来建筑节能、智能窗以及低能耗室内环境调控提供新的材料解决方案。

图2面向建筑节能的透明光热调控结构设计。

实际应用中的热管理过程通常涉及多个光谱区域，不同波段承担着不同的能量传递功能。因此，高性能光热调控系统需要突破单一波段优化的限制，从太阳光波段拓展至中红外波段，实现对太阳光谱和热辐射过程的协同控制。通过多层结构、功能材料复合以及动态调节机制，可以针对不同环境条件调整材料的光谱响应，实现采光、隔热、散热和环境适应能力之间的综合平衡。这种多波段设计理念体现了光热调控材料由单功能材料向智能化、多功能系统发展的趋势。

图3多波段协同调控的透明围护结构。

对于非透明围护结构，主要需求是减少环境对建筑暖通能耗的影响，同时具备一定的耐候性与大规模制备潜力。辐射制冷是一种利用自然辐射过程实现降温的被动式热管理技术，其关键在于减少太阳辐射吸收，并增强材料在大气透明窗口范围内的热辐射能力。通过调控材料的光学性质和微观结构，可以实现太阳能输入与热辐射输出之间的有效平衡。相比依赖能源输入的传统制冷方式，辐射制冷材料能够在无需额外能耗的条件下实现降温，为建筑、设备以及大面积热管理场景提供了一种可持续的解决路径。

图4基于辐射制冷技术的被动式光热调控材料。

环境条件具有动态变化特征，固定光谱响应的材料在复杂应用环境下存在一定局限。主动式光热调控材料能够通过外部刺激改变自身光学和热学性质，实现对能量传递过程的动态调节。通过引入响应性材料和智能器件结构，可以使系统根据环境变化在不同工作状态之间切换，从而兼顾降温、保温以及能源利用需求。此类动态调控策略为下一代智能建筑、智能交通和自适应热管理系统的发展提供了重要方向。

图5基于主动调控技术的智能光热管理材料。

光热调控材料从实验室走向实际应用，需要进一步突破单一材料性能优化的限制，实现材料、器件和应用环境的系统集成。集成式建筑光热调控系统通过将透明调控、热辐射管理和动态响应等功能结合，可以更加全面地满足建筑节能和热舒适调控需求。同时，实际应用还要求材料具备长期稳定性、大面积制造能力以及工程适配性。因此，系统化设计成为推动光热调控技术产业化的重要方向。

图6面向建筑领域实际应用的集成式光热调控材料。

车辆内部空间受到太阳辐射影响明显，尤其是在高温环境下容易产生热量积累，增加能源消耗并降低乘坐舒适性。面向车辆应用的光热调控器件需要兼顾透明显示、动态调节、机械适应性和长期稳定运行等多方面要求。通过智能光谱调控材料，可以根据环境条件主动改变太阳辐射响应，实现车内热环境优化。这类技术不仅适用于传统车辆，也为新能源车辆降低热管理负荷提供了新的材料方案。

图7 面向车辆热管理的智能光热调控器件。

人体热管理是光热调控材料的重要应用方向之一。可穿戴热管理材料通过调节人体与环境之间的能量交换，实现更加精准和低能耗的个人热舒适调节。此类材料需要同时具备高效光热调控能力、柔性、透气性以及长期穿戴稳定性。通过对纤维结构、材料组成和光谱响应进行协同设计，可以实现服装材料从被动制冷向主动环境适应的转变。

图8面向人体热管理的可穿戴光热调控材料。

随着智能纺织和可穿戴技术的发展，光热调控功能逐渐由传统薄膜和涂层体系向纤维化方向拓展。光热调控纤维不仅需要实现对太阳辐射和人体热辐射的调节，还需要满足柔性加工、机械性能和功能集成等要求。通过将不同功能单元引入纤维结构，可以赋予材料多尺度、多模式的光热响应能力，为智能服装、个人热管理以及新型功能纺织品的发展提供基础。

图9多功能集成型光热调控纤维材料。

随着现代探测技术的发展，目标识别已覆盖可见光、红外以及更宽光谱范围，因此安全防护材料需要具备多波段信息管理能力。光热调控材料通过设计不同波段的吸收、反射和发射特性，可以实现视觉外观调节、红外特征控制以及多光谱信息隐藏等功能。相比传统单一伪装材料，多波段光热调控体系能够提供更加综合的防护能力，为未来复杂环境下的信息安全和目标防护提供新的技术路径。

图10面向安全防护的多波段光热调控材料。

通讯作者信息

张如范清华大学化学工程系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次青年人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员,Smart Materials and Devices客座主编, Coatings、Processes编委, SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Carbon and Hydrogen、Particuology、Clean Energy及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及光热调控纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，共发表论文163篇，其中以第一/通讯作者身份在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Advanced Materials等国际知名期刊发表论文一百多篇。主持军委科技委重点项目、军委科技委基础加强项目、国家自然科学基金委面上项目、中石化重点项目等项目十余项。申请发明专20余项,撰写学术专著7部。曾获中国纺织工业联合会科学技术奖自然科学奖一等奖(2026)、第五届青山科技奖(2026)、中国颗粒学会自然科学一等奖(2024)、中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖(2025)、中国石油和化学工业联合会“青年创新奖”(2024)、中国石油和化学工业联合会首届“彤程青年研发基金”(2023)、中国纺织工业联合会自然科学二等奖(2024)、中国化工学会“侯德榜化工科学技术青年奖”(2019)、中国化学会青年化学奖(2018)、《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”(2018)、中国新锐科技人物(2018)、中国材料研究学会“全国超材料优秀青年学者”(2024)、全球华人化工学会“未来化工学者”(2024)、美国工程化科学协会“杰出创新奖”(2025)、瑞士乔诺法(Chorafas)青年研究奖(2015)等奖励。

课题组网站链接：http://www.rufanzhang-group.cn