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生物在数十亿年的发展过程中所经历的结构进化已经赋予了它们显著的热调节能力，这对生物在多变的外部环境中的生存具有重要意义。受大自然的启发，通过模仿和利用自然生物来开发温度调节材料已经得到了广泛的研究。近日，上海交通大学张旺研究员课题组在Journal of Bionic Engineering上发表题为《Bioinspired Materials: From Distinct Dimensional Architecture to Thermal Regulation Properties》的学术论文，对生物微结构热调控研究的最新进展进行综述，并从维度上进行了分类。其中，一维材料中涉及蚕茧纤维，讨论了其产生独特光学现象的原因；对锥体结构、光栅结构和多层薄膜结构作为二维仿生的典型例子进行分析；对于三维网状框架结构，详述了其热力性能的相关研究。![]()
图1 仿生微结构实现光学和热控制
一维仿生微观结构的典型包括蚕茧纤维，其具有超轻和极细的特点，是在成茧过程中由丝液凝固而产生的（图2a）。蚕茧纤维能够保护蚕蛹免受捕食者攻击，以及应对温度的突变。天然蚕茧纤维内部表现出高宽带光散射和高红外发射，使蚕茧具有优良的辐射冷却性能。目前，仿生蚕茧纤维的热应用主要集中在辐射冷却和个人热管理方面。蚕茧纤维的散射现象是由数百个紧密排列的平行纤维状纳米空洞沿着每个纤维内部的纤维轴而引起的（图2b-c），而高红外发射归因于纤维蛋白化学键的强吸收。受到蚕茧纤维光学特性的启发，Han通过静电纺丝法将生丝重新组装成纤维薄膜，并通过光学各向异性扩散理论对其光学特性进行表征和分析，结果表明重组后的丝质纤维薄膜可以表现出更强的光散射。![]()
图2 （a）蚕及蚕茧示意图；（b）蚕茧的上切面图；（c）蚕茧的横切面图（d）再生丝纤维和单一PVDF纤维从可见光到中红外区域的半球面反射和发射光谱。
一维仿生微观结构的典型还包括北极熊的毛发。北极熊可以在极端的环境中保持温暖，它们能够有效地反射来自身体的红外辐射，这归功于它们厚实的脂肪皮毛和中空多孔的毛发，如图3a-c所示。在毛发的中空结构内部和之间存在空气，因此可以发生热辐射，且对流和热量的传导受到阻碍，从而实现热量传递并减少热量损失。从北极熊毛发作为天然辐射冷却纤维的微观结构中获得灵感，采用连续、大规模的“冷冻纺丝”技术，将排列多孔结构纤维制成高孔隙率（87%）的纺织物。仿生纺织品的平均反射率为70-80%，高于典型的商用纺织品。此外，仿生纺织品具有优异的隔热性能以及良好的透气性和耐磨性，具有比商用聚酯更有效的热隐身性能(图3f-g)。![]()
图3 （a）北极熊毛发的照片和（b, c）扫描电镜图像；（d）仿生多孔纤维的光学图像和（e）SEM图像；（f-g）热隐身性能仿生纺织品；（h）不同纺织品的红外光反射率测量。
二维仿生微观结构的典型包括沙漠中的一些昆虫，它们可以在极热的环境中通过减少太阳辐射的吸收和增强红外发射来降低体温，如银丝箭蚁（Cataglyphis bombycine），如图4a所示。图4b为银丝箭蚁的热调节作用，银丝箭蚁内部的体温调节作用归因于密集排列的三角形毛发阵列，其表现出明显的银色外观。可见光-近红外范围内的折射率可以通过三角形截面毛发的Mie散射来增强。通过模拟银丝箭蚁的结构来进行温度调节的策略已经用于被动辐射冷却的仿生涂层的设计。PDMS上的结构设计可以通过FDTD模拟进行优化，并使用具有三角形阵列的硅模具进行打印（4c）。图4f显示了从UV到IR波长范围内的发射率，优化的仿生聚合物的最高温度下降比热带地区的环境空气温度低6.2℃。![]()
图4（a）银丝箭蚁；（b）银丝箭蚁的体温调节作用示意图；（c）制备的特征长度为8μm三角形阵列硅模的SEM图像；（d）PDMS薄膜制备示意图；（e）不同涂层的太阳能电池在阳光下的温度；（f）均匀的100μm厚PDMS-SiO2-Ag的全发射光谱测量。
二维仿生微观结构的典型包括分层次结构，其中，Liu等模仿白金龟（Cyphochilus white beetle）、银丝箭蚁（Cataglyphis bombycine）和荷叶的结构和功能，开发了集光学、热学和理化性质于一体的分层结构自清洁涂层。多生物启发设计策略如图5所示，该自清洁涂层具有强烈的太阳反射、高MIR发射和优异的抗污染性能，具有持续的辐射冷却性能，在各种恶劣条件下具有耐久性。这些研究将自清洁与辐射冷却相结合，为推进无能量冷却材料（energy-free cooling materials）的实际应用提供了新的途径。![]()
图5 多生物启发设计策略。（a）白金龟的光学照片(左)，其鳞片的扫描电镜横截面图像(中)，可见光全反射示意图(右)；（b）银丝箭蚁的照片(左)和覆盖着毛发的微观结构(中)，高太阳反射和强热红外发射示意图(右)；（c）具有自清洁特性的荷叶的光学照片(左)和SEM图像(中)(右)；（d）VDF-HFP膜和SRCP膜的工作原理。
结论：在自然界漫长的进化过程中，生物发展出了独特的微观结构以应对不断变化的环境，从而解决与热相关的生存问题。本文综述了在维度分类下的热调节特性的物理机理、热/光管理微观结构的进展以及相应的功能器件/系统。表1概述了从一维到三维的典型仿生热调节材料及其近年来的应用情况。虽然已经取得了巨大的突破，但仍有一些有待解决的问题。首要的问题是从自然界中寻找具有优异热调节特性的微/纳米结构。此外，需要通过更多的理论方法和实验分析来深入解释微观结构与相应的热调节特性之间的关系，这需要跨学科合作探索。其次是大规模、低成本的精确制造微/纳米结构的方法。最后，在满足实际环境的前提下发展多功能材料，建议将自适应和自愈合功能集成到下一代仿生材料中，促进具有热调节性能的器件的发展。表1 典型的生物热调节材料
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全文链接：https://rdcu.be/daVFg
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