借鉴树叶原理，KAIST开发自适应热调节新材料
一种仿生自杨树叶片热管理策略的人造材料已经被开发出来。杨树在炎热干燥时会将叶片卷曲，露出背面以反射阳光，而在夜间则利用附着在叶面上的水分释放的热量（潜热）来防止冷害，这是其独特的生存策略。也就是说，它会根据昼夜以及温度和湿度的变化调节热量以实现适应。此次开发的人造材料正是仿照这一原理而设计的。预计将其应用于建筑外墙、屋顶、临时避难所等时，无需电力即可实现自主温度调节的热管理。
KAIST称，电气及电子工程系研究团队在 Song Youngmin 教授带领下，与首尔大学 Kim Daehyeong 教授团队共同开发出一种仿生杨树自然热调节方式的“柔性水凝胶基热调节器（Latent‑Radiative Thermostat，LRT）”。相关成果于18日公布。
（自左起）KAIST电气与电子工程系硕博连读课程学生 Jung Hyoeun、博士课程学生 Kim Hyeongrae、特聘教授 Song Youngmin、博士后研究员 Jang Sehee、硕博连读课程学生 Kim Dohyun、硕士课程学生 Kwak Hyungyu，（上排自左起）首尔大学教授 Kim Daehyung、SAIT博士 Heo Seyeon、MIT博士 Shin Yoonsu。KAIST提供
View original imageLRT被开发为一种能够自主切换制冷和制热功能的热调节装置。该技术可以在单一装置中同时实现基于水分蒸发与凝结的潜热调节，以及利用光的反射与透过实现的辐射热调节。
其核心材料结构为：将锂离子和羟丙基纤维素（HPC）结合到聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶中而构成。
锂离子通过吸收和凝结周围水分来调节潜热，从而保持温暖；HPC则会根据温度变化在透明与不透明之间切换，通过调节阳光的反射与吸收量来在制冷和制热模式之间转换。
当温度升高时，HPC分子聚集，使水凝胶变得不透明，太阳光被反射，自然冷却效果得以增强。通过这一机制，LRT可以根据周围的温度、湿度和光照条件，在四种热调节模式之间分别切换。
例如，在低于露点的夜间或寒冷环境中，装置通过吸收和凝结空气中的水分释放热量，从而保持温暖；而在弱太阳光照射的寒冷白天，则让阳光透过，使已吸湿的水分吸收近红外线，产生制热效果。
此外，在高温干燥环境中，内部水分蒸发，会产生强烈的蒸发冷却。在强烈日照和高温条件下，HPC变得不透明并反射阳光，同时蒸发冷却机制启动，从而降低温度。
这些功能无需电力即可根据周围环境自主切换制冷和制热模式，使其作为一种仿生自然型热管理装置发挥作用。借助LRT，夏季可保持凉爽，冬季可维持温暖。
联合研究团队还确认，通过调节锂离子和HPC的浓度，可以针对不同气候条件精细调控热调节特性。同时，研究人员加入二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒，以提升材料的耐久性和机械强度。
在室外实验中，与既有冷却材料相比，LRT在夏季可使温度最多降低3.7摄氏度，在冬季则可使温度最多升高3.5摄氏度。尤其是在以7个气候带（依据美国供热制冷与空调工程师学会标准）为条件进行的模拟中，研究团队确认，与传统屋顶涂层相比，LRT每年每平方米最多可节省153兆焦耳的能量。
此次研究是将自然界高度发达的热管理功能工程化实现的案例，有望成为一种新一代热管理平台，可应用于建筑外墙、屋顶、灾害临时设施、户外仓储等难以使用电力进行冷暖调节的环境。
Song 教授表示：“本研究是一项将自然界智能热调节策略工程化再现的技术”，并称“这实现了能够随季节和气候变化自主适应的热管理装置，今后有望发展为可应用于多种环境的智能热管理平台”。
另外，本研究中，KAIST电气及电子工程系博士研究生 Kim Hyeongrae 担任共同第一作者，Song Youngmin 教授担任通讯作者。研究结果（论文）已于本月4日发表在材料科学领域学术期刊《Advanced Materials》在线版上。
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