氣凝膠是一類具有超低密度和熱導率的納米多孔材料，其中以氧化硅氣凝膠為代表的一類氣凝膠具有優異的綜合性能，在生物醫藥、能源、航空航天、催化、傳感、建筑節能減排等領域具有廣泛的應用價值。1931年首次報道的氣凝膠主要就是氧化硅氣凝膠，迄今將近百年的歷史。對于這種將近百年歷史的材料，最具代表性的應用為隔熱保溫（Thermal Insulation），其超低熱導率往往是解釋氣凝膠優異熱管理（Thermal Management）性能的首要因素。然而，越來越多的研究結果表明，氣凝膠在戶外應用時，其與環境的熱交換產生的熱效應可能遠大于低熱導率的影響，即被動太陽光加熱（Passive Solar Heating）、輻射致冷（Passive Radiative Cooling）以及熱傳導（Conductive and Convection）對氣凝膠的熱管理行為起到同等重要的作用。 

　　因此，為了深入探索氣凝膠的熱管理性能，近日中科院蘇州納米所王錦等人設計合成了系列具有不同光學性能（包括不同太陽光透過率和中遠紅外發射率）的氧化硅氣凝膠，系統研究了自然環境下氧化硅氣凝膠的熱管理行為，并獲得以下結果：氧化硅氣凝膠在室內環境下表現出優異的隔熱保溫性能，與文獻報道的結果一致，也符合近百年來對氣凝膠熱管理行為的認知（圖1）。然而，在室外環境，由于氧化硅氣凝膠與太陽光和環境的相互作用，日間表現出極為嚴重的溫室效應，氣凝膠模擬建筑內部溫度遠高于外界溫度（與理應隔絕外界高溫的傳統理念相反），而在夜間又展現出強勁的輻射降溫能力，并未出現“本應”隔熱保溫的結果（圖2）。 

　　圖1. 低熱導率賦予的氧化硅氣凝膠優異隔熱性能（a~g）及其機理示意圖(h) 

　　圖2. 氧化硅氣凝膠的被動太陽光加熱(a)和輻射降溫性能(b) 

　　為此，在前期工作基礎之上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 46569; Nanomaterials 2023, 13, 467)，該團隊提出了如圖3所示的氣凝膠隔熱保溫新機制：即氧化硅氣凝膠的熱管理不僅受低熱導率的影響，而且還受其光學性質的影響；根據不同的使用環境，通過調控氣凝膠的光學性質（如圖3d所示的四個維度），實現氧化硅氣凝膠的按需熱管理調控（On-demand Thermal Management）。  

　　圖3. 經典氧化硅氣凝膠的光學性能(a,b)、隔熱保溫熱管理新機制示意圖(c)以及光學設計實現按需熱管理調控機制示意圖(d) 

　　在揭示氣凝膠隔熱保溫熱管理新機制及其按需熱調控策略之后，進一步通過結構設計制備了系列具有不同太陽光透過率和中遠紅外發射率的氧化硅氣凝膠（如圖4所示），成功地獲得了符合傳統認知的熱管理結果（圖5）：如在炎熱高溫環境下，采用高太陽光反射率的氣凝膠作為隔熱墻體，成功降低了溫室效應及其模擬建筑物內部溫度；采用不同發射率的氣凝膠作為建筑保溫材料時，發射率越低，其被動降溫效果越弱。最后在同時具有高太陽光反射率和低發射率的氣凝膠模擬建筑物內放置相變材料（提供初始熱能），成功地實現了夏季極端高溫天氣下的日間降溫（內部溫度低于外界環境溫度）以及秋冬寒冷環境的保溫（內部溫度高于外界環境溫度）（圖5e，5f）。 

　　圖4. 氧化硅氣凝膠光學性能（可見光透過率和反射率、中遠紅外發射率）的調控策略

　　圖5. 氧化硅氣凝膠光學性能調控實現自主按需熱管理應用 

　　該工作不僅發現氧化硅氣凝膠的“怪異”熱管理行為，而且揭示了其原因，并在此基礎之上提出了氣凝膠隔熱保溫新機制及其調控策略，最終實現氧化硅氣凝膠的按需熱管理調控。相關研究結果有助于重新認識近百年發展史的氧化硅氣凝膠，為充分發揮氣凝膠的極致熱管理能力提供重要參考和調控策略，特別為自然環境下最大發揮氣凝膠的隔熱保溫性能提供設計原理，為如何使用氣凝膠、完美實現氣凝膠的熱管理行為、以及助力建筑節能減排提供科學依據和解決方案，該工作以Optical Design of Silica Aerogels for On-Demand Thermal Management為題發表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室碩士生王靜，通訊作者為中科院蘇州納米所輕量化實驗室王錦項目研究員和李清文研究員。該論文獲得了國家自然科學基金重大研究計劃項目以及蘇州市科技局基礎研究試點項目等資助。 

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