工作人員在成都大運村展示降溫冰背心。 中新社記者張浪攝

科技日報記者宗詩涵

穿上薄薄“智能溫控外衣”的航天器可應(yīng)對極端多變的空間環(huán)境，使用無源降溫超材料織物制作的警用制服能夠降低皮膚溫度約5℃，模仿北極熊毛發(fā)結(jié)構(gòu)制備的超保暖人造纖維材料有望讓人類告別笨重的羽絨服……在全球新一輪科技革命與“雙碳”目標驅(qū)動下，智能光/電/熱材料正成為突破能源發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。

為探討智能光/電/熱材料的低維化、柔性化與智能化發(fā)展路線，日前，40余位專家學(xué)者匯聚北京香山，共同參加主題為“變革性智能光/電/熱功能材料關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題”的第Y11次香山科學(xué)會議。該會議由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所申辦。

賦予材料“生命”

數(shù)據(jù)顯示，全球二氧化碳排放量從2020年的320億噸激增至2024年的416億噸。2024年，我國能源消費總量達59.6億噸標準煤，其中煤炭消費量占能源消費總量比重仍超53%，凸顯“雙碳”目標的緊迫性。

“在能源危機和‘雙碳’目標大背景下，能源技術(shù)的底層創(chuàng)新成為破局關(guān)鍵，而智能光/電/熱材料憑借其動態(tài)響應(yīng)與精準調(diào)控能力，成為突破能效瓶頸的核心引擎。”會議執(zhí)行主席、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員曹遜說。

光、電、熱是能量的不同體現(xiàn)形式，三者之間可以相互轉(zhuǎn)換。“如何綜合研究三者之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，以高效利用能量實現(xiàn)綠色發(fā)展目標，是當前材料領(lǐng)域非常重要的研究方向。”曹遜說。

智能光/電/熱材料與其他材料的不同，在于其智能性。電子科技大學(xué)副教授王東升說，智能意味著賦予光/電/熱材料以“生命”，讓智能光/電/熱材料能夠自發(fā)感知環(huán)境。北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張錚提出，生命的智能在于突變，智能光/電/熱材料的智能也在于突變，既適應(yīng)環(huán)境的變化，也改變環(huán)境，讓環(huán)境更容易接受材料。

在曹遜看來，智能光/電/熱材料的智能體現(xiàn)在具有多功能性和良好調(diào)控性能，既能實現(xiàn)從微觀到宏觀的跨尺度響應(yīng)，也能在光、熱、電傳導(dǎo)之間實現(xiàn)跨時域調(diào)控。“從零能耗建筑的溫控幕墻到深空探測器的自適應(yīng)熱管理，智能光/電/熱材料將成為綠色未來的基石。”曹遜說。

面臨多重挑戰(zhàn)

要讓智能光/電/熱材料能夠感知環(huán)境并作出響應(yīng)，智能傳感與動態(tài)感知技術(shù)的發(fā)展必不可少。

現(xiàn)有傳感器因材料或結(jié)構(gòu)的固有缺陷，以及多物理場耦合能力的不足，存在靈敏度受限、響應(yīng)速度不足、環(huán)境適應(yīng)性差等問題。“通過精準調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)及電子態(tài)，可提升載流子遷移率，增強智能光/電/熱材料動態(tài)響應(yīng)與靈敏度，從而突破高精度傳感技術(shù)瓶頸，為更好實現(xiàn)光熱調(diào)控功能奠定基礎(chǔ)。”曹遜介紹。

同時，跨尺度仿真技術(shù)是實現(xiàn)材料性能精準預(yù)測的關(guān)鍵。然而，微觀機理難以預(yù)測宏觀非線性行為，跨尺度仿真面臨效率與精度的雙重挑戰(zhàn)。“如何實現(xiàn)材料性能從電子結(jié)構(gòu)到宏觀行為的跨尺度調(diào)控，揭示并優(yōu)化其多物理場響應(yīng)機制，是當前材料科學(xué)領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。”吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張立軍說。

此外，傳統(tǒng)光熱調(diào)控受制于靜態(tài)材料性能單一、動態(tài)材料響應(yīng)遲滯、光熱電耦合損耗以及熱流不可控等問題，導(dǎo)致能量利用率低下與系統(tǒng)失穩(wěn)風險上升。“在能源高效利用及電子器件高度集成的迫切需求下，材料的熱能轉(zhuǎn)換及管理是相關(guān)技術(shù)提升的關(guān)鍵。”會議執(zhí)行主席、同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授裴艷中說，基于半導(dǎo)體效應(yīng)的熱電發(fā)電與制冷是行之有效的手段，但其基礎(chǔ)和應(yīng)用研究均面臨力、熱、電、磁等諸多方面挑戰(zhàn)。

極端環(huán)境下的材料穩(wěn)定性是另一關(guān)鍵難題。以太空智能輻射器件為例，其在原子氧侵蝕、紫外輻照及熱循環(huán)耦合作用下，使用壽命會急劇縮短，這要求材料設(shè)計兼顧原子級晶格穩(wěn)定性與宏觀機械魯棒性。

催生應(yīng)用創(chuàng)新

盡管智能光/電/熱材料發(fā)展面臨多重挑戰(zhàn)，但其技術(shù)突破已催生跨領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)新，展現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

清華大學(xué)材料學(xué)院教授沈洋團隊設(shè)計并制備的新型柔軟壓電復(fù)合材料，通過構(gòu)筑壓電陶瓷在聚合物基體內(nèi)的三維聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，破解了彈性模量失配問題，實現(xiàn)了應(yīng)力的有效傳遞。此類新型材料在高靈敏度可共形水聽器、智能傳感驅(qū)動器等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。

在全球氣候變暖加劇、極端高溫事件頻發(fā)的背景下，會議執(zhí)行主席、華中師范大學(xué)教授陶光明的團隊聚焦無源降溫超材料織物與涂料的研發(fā)，致力于通過光熱精準調(diào)控技術(shù)應(yīng)對全球變暖挑戰(zhàn)，為人體熱管理、建筑和地球環(huán)境降溫提供創(chuàng)新解決方案。

“在個人熱管理方面，使用無源降溫超材料織物制作的降溫背心使體表最大溫差達4.1℃，為高溫作業(yè)人員與特種行業(yè)從業(yè)者提供舒適安全保障；在汽車領(lǐng)域，無源降溫超材料織物的應(yīng)用可使車內(nèi)溫度降低約12℃，減少空調(diào)能耗并延長續(xù)航里程；在建筑領(lǐng)域，該材料涂料涂裝后的樣板房表面最高可降溫21.8℃，室內(nèi)日間最高可降溫約9.7℃到11.1℃，顯著降低空調(diào)使用頻率與建筑能耗。”陶光明介紹。

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授白雪團隊重點關(guān)注稀土這一國家戰(zhàn)略資源，其研制的稀土光電材料在信息存儲與加密、信號傳輸與放大、高清顯示與智慧照明等光電信息領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

在曹遜看來，未來10年，智能光/電/熱材料的發(fā)展將呈現(xiàn)三大趨勢。其一是AI驅(qū)動的材料基因工程。基于千萬量級的材料數(shù)據(jù)庫與強化學(xué)習算法，逆向設(shè)計將大幅縮短研發(fā)周期。其二是原子制造與跨尺度集成。借助分子束外延與原位監(jiān)測技術(shù)，原子級平整的異質(zhì)界面得以實現(xiàn)，將支撐量子芯片與拓撲光子器件取得突破。其三是多學(xué)科共生與生態(tài)重構(gòu)。零碳建筑、深空探測等重大場景需光、電、熱、機多模態(tài)協(xié)同，倒逼材料與系統(tǒng)設(shè)計的范式革命。

“材料變革的本質(zhì)，是打破材料科學(xué)與工程應(yīng)用的學(xué)科壁壘，走向‘萬物感知—自主調(diào)控—環(huán)境共生’的新紀元。”曹遜說，未來，材料不再僅是功能的載體，更是智能生態(tài)的建構(gòu)者。

責任編輯：駱香茹