哈工大等研发企鹅灵感相变薄膜 实现冷热电磁动态调控

你是否经历过这样的尴尬：为了应对雪天全副武装，进入暖气充足的办公室后却不得不脱掉厚重衣物？企鹅则没有这种烦恼。无论酷暑严寒，它们总能保持舒适。受这些“热管理大师”的启发，科学家们研发出一种能被动在加热和冷却模式之间切换的新材料。

该材料由哈尔滨工业大学、河南师范大学及苏州实验室的研究团队联合开发。它不仅能吸收阳光升温、反射阳光降温，还能根据温度变化阻挡或透射微波，同时具备拒水拒冰特性。地球倾斜的轨道导致季节温差巨大，部分地区一年内可从酷热夏季骤降至深冬严寒。为了适应这种极端环境，人类开发了无数热管理技术，如车辆和基础设施上的特殊涂层。

二氧化钒相变实现电磁动态调控

传统材料的痛点在于功能单一：夏季高效隔热材料在冬季可能浪费宝贵的太阳热能；而微波屏蔽材料通常依赖导电性，这往往会导致热量吸收增加。热管理与电磁控制往往相互掣肘，难以兼得。

研究团队设计了一种名为“Janus”（双面神）的薄膜，其核心是二氧化钒（VO₂）。这种化合物具有独特的“双重性格”：在低温下表现为绝缘体，当温度升至约68°C时，会突然转变为高导电的金属态，电阻骤降约四个数量级。研究人员将二氧化钒嵌入柔性聚合物层的微观纤维结构中，利用这一相变特性实现微波的动态操控。

薄膜的一面为“加热侧”，能强烈吸收阳光，对入射太阳能的吸收率高达94.5%。实验室测试显示，其表面温度可达73°C，比环境温度高出约52°C；户外测试中甚至达到87°C。随着温度升高，二氧化钒进入导电态，微观结构形成导电通路，薄膜与微波的相互作用发生根本改变。

双面设计兼顾辐射制冷与电磁屏蔽

在室温下，微波信号几乎无损耗地穿透薄膜；加热后，薄膜模式翻转，开始强烈吸收和反射微波。研究团队在8.2至40 GHz频段实现了宽带微波调制。在常用于雷达和卫星通信的X波段，加热后微波透射率从83.6%骤降至0.06%，屏蔽效能超过30 dB，足以阻断电磁干扰。研究人员还通过蓝牙连接演示了这一过程：低温时连接正常，加热后信号被切断。

薄膜的另一面专为“冷却”设计。该层利用二氧化硅颗粒和多孔结构散射反射阳光，同时在中红外波段高效辐射热能。其太阳光反射率超过90%，中红外发射率达97.1%。户外测试表明，该面温度比环境低4-12°C。这意味着同一张薄膜一面可作为太阳能加热器，另一面作为辐射制冷系统。

灵感源自企鹅的层状结构、定向隔热和防水特性。材料两面均具有超疏水性，水滴呈珠状滚落，不仅保持表面清洁，还具备防冰和除冰能力。测试显示，结冰时间延迟达812秒；在-6°C弱光环境下，积冰约17.4分钟内融化。

建筑节能与军事应用潜力巨大

尽管热管理、微波屏蔽和辐射制冷材料已存在，但无需电机或复杂电子系统即可集成所有功能的自适应材料仍属突破。研究人员估算，建筑利用该薄膜一面吸热、另一面制冷，每平方米每年可节省约38.9兆焦耳（相当于11千瓦时）能源。

在车辆和飞机领域，这种自适应热皮肤可动态调节温度和电磁特征；户外电子设备外壳可根据条件切换无线通信或干扰屏蔽。虽然研究未明确将其定位为隐身技术，但其宽频段动态改变微波行为的特性，在军事和航空航天领域具有显著潜力。目前该项目仍处于实验室阶段，未来将聚焦长期户外耐久性测试及大规模制造工艺优化。

相关研究成果已发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。