讓衣物既能在冬日里保暖又能在酷暑時降溫，讓房屋不用空調就可以加熱或者制冷……滿足這些神奇現象的新材料也許在將來就可以出現。憧憬這些的是南開大學材料科學與工程學院馬儒軍教授，他憑借柔性主被動固態熱管理、多功能柔性熱電材料和器件的研究成果，于11月17日獲得第十八屆中國青年科技獎。在獲得這項由錢學森等老一輩科學家提議設立的獎項后，馬儒軍接受了《中國化工報》記者的獨家采訪。
藏在衣物里：柔性主動固態熱管理材料
“主動制冷的概念很簡單，比如我們夏天使用的空調、保存食物的冰箱都是主動制冷技術。”馬儒軍介紹說。柔性主動電卡效應固態熱管理材料是馬儒軍及其團隊的最新研究成果，它是由含氟的三元共聚物材料組成。
馬儒軍和合作者共同將這種材料與柔性太陽能器件組合，制成個人體溫調節衣物系統，能將人體熱舒適區擴大3倍，即從22℃～28℃擴展到12.5℃～37.6℃。這項研究成果也成功登上了國際頂級期刊《科學》。
“熱舒適區擴大的意義很重要。在晝夜溫差極大或生存環境惡劣的地區，比如南北極或者月球上，如何僅利用衣物就讓人體的體溫保持在舒適的溫度區間，這是我們一直在尋求的答案。試想用這種材料制成超薄的宇航服，航天員在離開地球表面后只需要太陽照射就可以自如地在外太空行走，是件多么美妙的事情。”馬儒軍補充說。
馬儒軍進一步解釋了該系統的工作原理，它能夠根據環境溫度變化快速響應，其中柔性太陽能器件吸收太陽光能量后，驅動高效的電卡熱管理器件，使柔性主動固態熱管理材料雙向調節溫度，在太陽光下降溫，在黑暗中保暖。此外，該系統的能耗低、效率高，只需12小時的太陽光能量輸入，便可實現24小時的雙模式體溫調節。
這一高效且具有主動性的雙向人體柔性熱管理系統，在體溫調節領域展現出潛在的應用前景，但仍有許多重要的技術問題有待解決，比如如何進一步提升熱管理效果、制成更大尺寸的服裝，需要研發新的更高效率的太陽能材料器件與電卡材料器件等。
貼在房屋外墻上：柔性被動固態熱管理材料
“穿著厚羽絨服、戴棉帽子的行為可以理解為被動熱管理，房屋的內外墻保溫也是一種被動熱管理。我們研發的被動熱管理固態材料就是設想能夠用于房屋的外墻和屋頂上，實現建筑物保溫技術的綠色可持續。”馬儒軍在介紹被動熱管理時說。
馬儒軍團隊利用光譜選擇性，開發了由形狀記憶高分子材料與輻射熱管理材料結合制成的柔性被動固態熱管理材料，并以此為基礎設計了智能自切換零能耗雙模式輻射熱管理器件，在加熱和制冷模式下的特征光譜都與理想光譜相近，能夠實現高效的輻射熱管理。它利用自然中的熱源太陽與冷源外太空，其中一層材料可以全反射太陽光，并從大氣層窗口向外發射熱量，實現輻射制冷；另一層材料則可以全吸收太陽光，并轉換為熱能，實現太陽制熱。
器件中添加的溫敏驅動結構，可使其自發感知溫度變化，智能實現熱管理模式的可逆切換。“在感知到外界溫度變化時，兩層材料可以實現智能切換，比如，溫度降低時，上層的輻射制冷材料自動卷曲到一側，讓下層的太陽制熱材料充分暴露在太陽的照射下來吸收熱量。”馬儒軍解釋說，這也是一種零能耗的溫度控制技術，從熱管理到模式切換，整個過程中無需額外的能量消耗，實現了全過程零能耗工作的設計目標。
在展望這類技術的應用前景時，馬儒軍侃侃而談：“如果將這種材料鋪設在房屋的外墻和屋頂上，就可以發揮空調的作用，還是可根據外界氣溫進行智能調控的空調。當然這也是我們的一個設想，目前材料的價格還非常昂貴，距離進入實際應用還有很長的路要走，但這種充分利用熱源和冷源的熱管理技術還是非常可行的。”
縫在鞋墊里：多功能柔性熱電材料
“除了來自大自然的熱能，我們也在研究人體散發的熱量、電子設備產生的熱能等，并開發了系列的高性能柔性熱電材料，用于設計自供電的可穿戴電子設備等。”馬儒軍介紹說。
馬儒軍團隊開發了一種用于收集人體熱能的超彈性石墨烯基熱電海綿。這種材料縫制在鞋墊中，可以利用人體熱能產生的熱電信號，在管理電路的輔助下驅動血壓計、血氧儀等小功率醫療設備，實現生理信號監測。實驗數據顯示，超彈性石墨烯基熱電海綿在30%的應變下循環壓縮1萬次，仍表現出優異的力學性能和熱電穩定性；在-170℃～300℃的溫度跨越下，仍具有較高的熱電性能及穩定性。
這種材料還可以用于手機、平板電腦等電子設備的散熱，將熱電器件置于正常工作的CPU表面，可以產生穩定的電壓，同時能夠降低CPU的溫度，提高計算機的運行速度和穩定性。
“未來，我們將繼續開發更多高效環保的柔性熱管理材料，為高性能熱管理器件結構設計更多的應用場景，并期待更多的產品可以走出實驗室，進入到人們的生活里，為節約能源、保護環境，助力實現‘雙碳’目標添磚加瓦。”談及未來，馬儒軍滿懷憧憬。
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