随着全球热应力加剧及环境污染问题日益严峻，被动辐射冷却技术因其零能耗散热特性，在建筑、电子、航空航天等领域备受关注。然而，传统多层或随机多孔结构的辐射冷却材料面临两大挑战：高温下热量易积聚导致性能衰减，以及机械强度不足难以满足实际应用需求。现有自适应冷却系统（如光敏或电控材料）虽能动态调节温度，却依赖复杂刺激源且存在界面粘附弱、液体泄漏等问题，严重制约其工程化应用。

近期，中南林业科技大学吴义强院士、何帅明教授团队受蝴蝶翅膀分级多孔结构启发，通过溶剂诱导自组装策略，成功开发出一种一体化温度自适应被动冷却器（Bio-D cooler）。该材料将相变聚合物共价接枝于工程化木材的纳米纤维素分子链上，形成分级多孔网络结构，兼具高效热调节与卓越机械性能。实验表明：Bio-D cooler在热冲击下比传统辐射冷却材料平均降温5°C，冷却功率高达130.1 W/m²；其抗拉强度达42.9 MPa，为传统动态被动冷却器的10倍，为热管理领域提供突破性解决方案。

仿生设计之源

研究团队从东南亚白蝴蝶（Curétis acuta Moore）翅膀的鳞片结构中获得关键灵感（图1a）。扫描电镜显示，其鳞片由半管状脊梁与互连支柱构成有序多孔层级网络（图2b-c）。光学模拟证实，这种结构通过米氏散射和全内反射协同作用，将太阳光反射率提升至70%（图2d-g）。同时，脊梁结构使弹性模量周期性变化（图2h），能量耗散强度达基底的3.5倍，赋予翅膀优异力学性能。基于此，团队以木材为模板，复制了类似的分级孔道结构（图1b）。

图1 基于溶剂诱导自组装技术的仿生一体化强韧动态被动冷却器示意图 (a) 蝴蝶翅膀天然分级多孔结构示意图 (b) Bio-D冷却器的制备流程与微观结构：微纳米多孔相变聚合物网络嵌入定向排列的木材分级孔道中，形成人工分级多孔结构 (c) Bio-D冷却器实物图（尺寸：600 × 200 × 2 mm） (d) Bio-D冷却器与普通辐射冷却器（如辐射织物、水凝胶）及传统动态被动冷却器（如双层动态被动膜）的控温能力与抗拉强度对比：113.1 J/g高潜热赋予卓越动态控温能力，42.9 MPa抗拉强度优于传统材料 (e) 雷达图对比Bio-D冷却器与传统动态被动冷却器（如耐热辐射聚合物）的多性能指标，证明其在机械性能和热调节能力上的优势

图2 白蝴蝶（Curetis acuta Moore）翅膀的微观结构与光学特性 (a) 白蝴蝶标本实物图（特征性白色外观） (b) 翅膀多层鳞片的SEM图像 (c) 高倍SEM揭示的分级多孔结构 (d) 分级多孔结构对蝶翅反射率的影响（大气环境 vs 乙醇浸没） (e) 蝶翅鳞片光散射行为的模拟模型（含典型分级孔结构） (f) 入射光波长（0.3–2.5 μm）与纳米孔径（0–550 nm）对模拟蝶翅反射率的影响 (g) 归一化光学模型计算的非孔分级鳞片、多孔鳞片及分级多孔鳞片总反射率 (h) AFM探针垂直扫描脊状排列以表征蝶翅鳞片弹性模量的纳米级变化

一体化制备工艺与结构表征

Bio-D cooler通过三步法制备（图3a）：首先对木材脱木素处理暴露纤维素活性羟基；随后将硅烷化聚乙二醇（PEG）注入孔道，通过原位聚合与纤维素形成共价键（Si-O-C），化学分析显示Si-O-C键特征峰（102.6 eV）证实了界面强结合（图3c-d）；最后引入乙醇/丙酮混合溶剂诱导相分离，分子模拟揭示PEG在乙醇中结合能（3328.7 kcal/mol）显著高于丙酮（2498.3 kcal/mol），双溶剂浓度波动驱动形成三维多孔网络（图3e-h）。所得材料呈现仿生分级孔道结构（图3b），微纳米相变聚合物网络紧密嵌于木材定向孔道中，形成一体化强化骨架。

图3 Bio-D冷却器的结构表征 (a) 制备流程三步骤：前体渗透→原位聚合→网络重构 (b) Bio-D冷却器的分级多孔结构SEM图 (c,d) Bio-D冷却器与天然木材、脱木素木材、PEG、PGS的化学结构对比，证实纤维素链与相变前体通过共价键原位聚合 (e,f) 相变材料在乙醇/丙酮溶剂中分子相互作用的RDG模拟 (g) 相变分子与乙醇（3328.7 kcal/mol）、丙酮（2498.3 kcal/mol）的分子结合能 (h) 相变材料在丙酮体系及乙醇/丙酮双体系中的三维方向相对浓度分布

热-光协同调控机制

Bio-D cooler创新融合辐射冷却与相变储热双功能（图4a）。其相变材料熔融焓达113.1 J/g，可在47.2–56.1°C区间动态吸放热（图4b）；同时分级多孔结构实现93.4%可见光反射率（冻结态）和90.2%中红外发射率（图4c-d），关键孔径分布（43.6%<1.0 μm，56.2%<2.5 μm）精准匹配太阳光谱（0.3–2.5 μm），通过米氏散射最大化太阳反射（图4e）。协同效应使冷却功率峰值达130.1 W/m²（图4f），共价交联网络更将热分解温度提升至408°C（图4g），200次热循环后相变焓保持率超96.7%。

图4 Bio-D冷却器的光学与热学特性 (a) 通过辐射冷却和潜热存储/释放实现热管理机制 (b) 相变焓值测量：冻结转变113.1 J/g，熔融转变111.8 J/g (c) 脱木素木材与Bio-D冷却器在相变过程中的光学性能 (d) 相变期间Bio-D冷却器与PGS反射光谱对比（分级多孔光子结构显著提升太阳反射率） (e) Bio-D冷却器孔径分布（主区间0.1–2.5 μm） (f) 理论冷却功率峰值达130.1 W/m² (g) PGS、脱木素木材与Bio-D冷却器的热稳定性（峰值降解温度408°C）

实测性能与应用验证

在多重热环境测试中（图5a-c），Bio-D cooler面对100°C加热器与1000 W/m²光照时，温度较传统辐射材料低5°C，较纯相变材料低20°C，相变平台（45–50°C）有效抑制温升。24小时户外监测显示（图5d-e），其动态调节特性突出：长沙夏季午间最大亚环境降温9.2°C，而夜间温度更高（较传统材料温差减少1.6°C），实现"按需降温"。建筑节能模拟表明（图5f-g），哈尔滨严寒地区节能率高达23.8%，广州湿热地区为3.9%。机械性能上，一体化结构赋予42.9 MPa抗拉强度（图5h-j）和31.5 MPa弯曲强度，50次应力循环后仍保持稳定。

图5 Bio-D冷却器的冷却性能与机械性能 (a-c) 多重热环境下（1000 W/m²模拟太阳辐射+100°C恒温加热器）Bio-D冷却器、PGS和脱木素木材的600秒温变曲线 (d,e) 中国长沙24小时温变监测：Bio-D冷却器、脱木素木材与环境温度及其温差 (f) 五种气候区城市建筑模型年能耗对比（使用/未使用冷却器） (g) 五城市节能潜力模拟（严寒地区最高节能率24%） (h,i) PGS与Bio-D冷却器的抗拉强度及模量 (j) Bio-D冷却器与传统辐射冷却聚合物、相变聚合物及动态被动冷却器的抗拉强度对比

总结与展望

Bio-D cooler通过仿生分级多孔结构与一体化共价交联设计，解决了传统被动冷却材料的动态适应性、机械强度及泄漏难题。其温度自适应特性（夏季午间降温4.9°C、夜间仅1.6°C）显著提升能效比，结合每公斤22.7美元的低成本与可扩展制造工艺（单根原木可产392.7 m²材料），在户外装备、工业建筑及电池热管理领域具有广阔应用前景。未来研究将聚焦于复杂气候环境下的长期稳定性优化及产业化生产挑战。