寧波材料所在超疏水Janus薄膜實(shí)現(xiàn)可持續(xù)高效熱管理方面取得新進(jìn)展
眾所周知，隨著全球氣候變暖，一些嚴(yán)重威脅公眾健康和作物生長的強(qiáng)冷空氣等極端氣候頻繁發(fā)生。例如，典型寒潮不僅會(huì)使人凍傷，而且會(huì)嚴(yán)重推遲作物的發(fā)芽和播種，可能給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境造成巨大損失。目前采用多種加熱器件來提高溫度造成了大量化石燃料及電力能源的消耗。因此，開發(fā)環(huán)保、低耗能、可再生的高效采暖技術(shù)有望成為重要的解決方案。
太陽能-熱轉(zhuǎn)換被認(rèn)為是一種綠色、低能耗的直接且高效的產(chǎn)熱策略。盡管在開發(fā)一系列具有可控特性的光熱材料方面已經(jīng)付出了巨大的努力，但挑戰(zhàn)仍然存在。具體來說，當(dāng)傳統(tǒng)的光熱系統(tǒng)暴露在液態(tài)水甚至高濕度的環(huán)境中時(shí)，由于水的比熱高，大多數(shù)光熱系統(tǒng)不可避免地會(huì)發(fā)生溫度急劇下降的情況，從而導(dǎo)致加熱性能的不連續(xù)。此外，凝結(jié)的水滴不僅會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成傷害，在寒冷的天氣下還會(huì)使膜系統(tǒng)結(jié)冰開裂，這大大限制了傳統(tǒng)光熱系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，開發(fā)不受水環(huán)境影響的健壯光熱轉(zhuǎn)換材料迫在眉睫。
構(gòu)筑超疏水表面是抗水潤濕性的有效途徑，將超疏水和光熱特性的高效集成有望解決光熱材料中因水滴的產(chǎn)生而導(dǎo)致熱管理效率降低的問題。近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員、肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其能量管理方面的研究基礎(chǔ)，探索了一種簡單、高效、可擴(kuò)展的方法將分層納米結(jié)構(gòu)的蠟煙灰部分嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體中實(shí)現(xiàn)了具有良好的超疏水和光熱性能的Janus膜（SPCM）。
該工作設(shè)計(jì)了將蠟燭煙灰顆粒部分嵌入透明彈性體薄膜中的分層納米結(jié)構(gòu)，得到了具有健壯互鎖結(jié)構(gòu)的Janus復(fù)合膜。所獲得的互鎖結(jié)構(gòu)不僅決定了SPCM的高發(fā)射率，能夠高效地進(jìn)行紅外熱輻射以加熱空間，而且保證了超疏水光熱表面的穩(wěn)定性。通過典型的燃燒過程，可以簡單高效、大面積地獲得具有分層納米結(jié)構(gòu)的蠟燭煙灰。隨后通過在水/空氣界面制備部分交聯(lián)的PDMS彈性體進(jìn)行粘接轉(zhuǎn)移與二次固化，最終成功制備超疏水光熱蠟燭煙灰薄膜（SPCM）。該薄膜在1個(gè)太陽光下具備～68℃的太陽光-熱轉(zhuǎn)換能力和～159.7°的超疏水特性。此外，薄膜的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以有效減弱作為透光和隔熱外層的PDMS側(cè)散熱，使得材料的熱利用效率高。基于這些優(yōu)點(diǎn)，SCPM Janus膜進(jìn)一步作為防水、熱管理裝置，持續(xù)加熱密閉空間，且在薄膜表面上沒有液態(tài)水冷凝，可實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)的穩(wěn)定熱管理。此外，作為一個(gè)演示，它還可以作為加熱和擋光膜，有效地為豆芽提供合適且穩(wěn)定的溫度。與商用膜相比，該SPCM膜具有優(yōu)異的抗水凝結(jié)、光熱轉(zhuǎn)換、能在封閉系統(tǒng)下保持穩(wěn)定的供熱等優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了豆芽發(fā)芽率。因此，超疏水光熱膜的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有望成為開發(fā)環(huán)境穩(wěn)定的熱管理器件的新途徑，在低碳住宅系統(tǒng)和新一代城市農(nóng)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
該工作以“Hierarchically Nanostructured Janus Membranes Toward Sustainable and Efficient Solar-to-Thermal Management”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials, 2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202209654。本研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52073295）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC2805204）、寧波市科技局項(xiàng)目（2021Z127）、國家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目（M-0424）、寧波市公益性科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021S150）及中科院王寬誠國際交叉團(tuán)隊(duì)（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的資助。
SPCM與傳統(tǒng)薄膜的結(jié)構(gòu)、工作原理及在城市農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用
（海洋實(shí)驗(yàn)室 黎姍）