全球范圍內(nèi)，供暖與制冷能耗持續(xù)攀升，傳統(tǒng) HVAC 系統(tǒng)依賴化石燃料并產(chǎn)生大量溫室氣體排放，亟需開(kāi)發(fā)無(wú)需外部能源、可自適應(yīng)環(huán)境變化的個(gè)人熱管理技術(shù)。然而，現(xiàn)有被動(dòng)輻射材料往往只能單一方向工作（要么制熱要么冷卻），缺乏智能調(diào)控能力，難以在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)時(shí)維持人體熱舒適。如何在同一平臺(tái)內(nèi)集成太陽(yáng)能加熱和主動(dòng)冷卻并實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，成為可持續(xù)熱管理領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

為解決上述難題，北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校白武斌教授、杜克大學(xué)Willie J. Padilla教授合作，報(bào)道了一種全固態(tài)、可溶液加工的自變色皮膚（ACCS）。該器件受變色龍皮膚啟發(fā)，能夠在僅 ±1.3 V 電壓驅(qū)動(dòng)下，同時(shí)調(diào)控太陽(yáng)光譜（0.3–2.5 μm）吸收率（變化 ~40%）和中紅外大氣窗口（8–13 μm）發(fā)射率（變化超過(guò) 50%），且無(wú)需持續(xù)耗電即可保持狀態(tài)超 24 小時(shí)。戶外測(cè)試顯示，加熱與冷卻模式間可逆溫差高達(dá) 15.5°C，單塊智能手機(jī)電池即可支持超過(guò) 200 次全范圍切換。所有功能層均可通過(guò)滴涂或卷對(duì)卷工藝制備，兼具柔性與可擴(kuò)展性，為智能穿戴與建筑節(jié)能提供了全新平臺(tái)。相關(guān)論文以“Solution-processed electrochromics for synergistic solar and radiative heat management”為題，發(fā)表在

Nature Sustainability

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的 ACCS 采用多層疊層結(jié)構(gòu)（圖 1b）：中心為固態(tài) Al?O?-離子凝膠電解質(zhì)，兩側(cè)為聚苯胺-樟腦磺酸（PANi-CSA）電致變色電極，外覆蛇形金集流體和聚乙烯封裝層。當(dāng)施加 –1.3 V 至 0.8 V 電壓時(shí)，器件可在冷卻與加熱模式間連續(xù)切換：冷卻模式下白色離子凝膠反射太陽(yáng)光，淺綠色 PANi-CSA 向外太空輻射熱量；加熱模式下深綠色 PANi-CSA 吸收太陽(yáng)光并抑制中紅外輻射損失。實(shí)驗(yàn)證實(shí)該器件可緊密貼附手指、耐受扭曲（圖 1e,f），并能通過(guò)溶液法制備 420 mm × 580 mm 的大面積原型（圖 1g），展現(xiàn)了從可穿戴到大尺度環(huán)境控制的廣闊前景。

圖 1 | ACCS 的設(shè)計(jì)及其可見(jiàn)光與紅外光熱管理可調(diào)光學(xué)特性。 a. 受變色龍啟發(fā)的體溫調(diào)節(jié)概念：寒冷條件下深色皮膚用于太陽(yáng)吸收（左），炎熱條件下淺色皮膚用于反射（右）。b. ACCS 的分解示意圖：多層結(jié)構(gòu)，中心為白色離子凝膠（P(AAm-co-AA)-EMIES），夾在 PANi-CSA 和金蛇形層之間，并用對(duì)可見(jiàn)光和紅外透明的 PE 層封裝。c. 工作原理：施加電壓使 PANi-CSA 在翠綠亞胺態(tài)（深綠色，用于加熱）和 leucoemeraldine 態(tài)（淺綠色，用于冷卻）之間切換。d. 基于 ACCS 的可穿戴服裝示意圖，通過(guò)優(yōu)化寒冷天氣（左）、炎熱天氣（右）或任何中間階段的體溫，確保用戶舒適度、健康和生活質(zhì)量。e. ACCS 纏繞在手指上的照片，展示其適應(yīng)曲面區(qū)域的能力。比例尺，5 cm。f. ACCS 被大力扭曲的照片。比例尺，6 mm。g. 尺寸為 420 mm × 580 mm × 2 mm 的 ACCS 照片。比例尺，200 mm。插圖：ACCS 的放大視圖。比例尺，10 mm。

ACCS 的可調(diào)熱管理能力源于 PANi-CSA 的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。循環(huán)伏安曲線顯示（圖 2a），PANi-CSA 在 無(wú)色翠綠堿（LS）、翠綠堿（ES）和深紅堿（PS）三種氧化態(tài)間可逆轉(zhuǎn)變。LS 態(tài)（–0.3 V）呈透明狀、中紅外發(fā)射率高，對(duì)應(yīng)冷卻模式；ES 態(tài)（+0.5 V）呈深綠色、太陽(yáng)吸收率高且中紅外發(fā)射率低，對(duì)應(yīng)加熱模式。發(fā)射率光譜（圖 2c）表明，在大氣窗口內(nèi) PANi-CSA 的發(fā)射率調(diào)制幅度達(dá) 53.7%（圖 2d），同時(shí)可見(jiàn)光顏色可從淺綠連續(xù)調(diào)至深紫（圖 2e 及附圖）。與電聚合 PANi 相比，溶液澆鑄 PANi-CSA 因更高電導(dǎo)率、結(jié)晶度與厚度（>6 μm），實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的光學(xué)調(diào)控（圖 2f）。

圖 2 | ACCS 主要組成層 PANI-CSA 的電化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)表征。 a. 測(cè)得的 PANI-CSA 循環(huán)伏安圖，在 1.0 M CSA 水溶液的三電極池中記錄，掃描速率 50 mV s?1，鉑片為對(duì)電極，Ag/AgCl 為參比電極。掃描從相對(duì)于 Ag/AgCl 的 0 V 開(kāi)始。b. LS、ES 和 PS 的化學(xué)結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)示意圖，分別代表遞增的氧化態(tài)。c. 在不同電壓下記錄的 PANI-CSA 的實(shí)測(cè) FTIR 光譜，突出了在人體熱輻射相關(guān)的 8–13 μm 范圍內(nèi)的可調(diào)性。d. 在 –0.3 V 至 +0.8 V（相對(duì)于 Ag/AgCl）的外加電位范圍內(nèi)，PANI-CSA 在 8–13 μm 范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)加權(quán)平均發(fā)射率。插圖：大氣透射譜突出了 8–13 μm 波長(zhǎng)區(qū)域與熱輻射的強(qiáng)相關(guān)性。e. PANI-CSA 在三種電致變色態(tài)下的實(shí)測(cè)紫外-可見(jiàn)吸收光譜，即原始態(tài)、–0.3 V（最大冷卻模式，LS）和 +0.5 V（最大加熱模式，ES），并標(biāo)出了加權(quán)平均值。同時(shí)給出了 AM1.5 太陽(yáng)光譜作為參考。f. 比較電聚合薄 PANI 層 (i) 和溶液澆鑄厚 PANI-CSA 層 (ii) 之間光學(xué)對(duì)比度變化機(jī)制的示意圖。

通過(guò)紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜和紅外橢偏測(cè)量結(jié)合 Drude-Lorentz 振子擬合，研究團(tuán)隊(duì)深入揭示了 PANi-CSA 的光學(xué)行為。角度依賴發(fā)射率二維云圖顯示（圖 3a），器件在傾斜角度下仍保持穩(wěn)定性能。發(fā)射率隨厚度與波長(zhǎng)的變化關(guān)系（圖 3b）表明，當(dāng)厚度超過(guò) 2 μm 后發(fā)射率趨于飽和，反射主要來(lái)自空氣-PANi 界面。紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收對(duì)比圖（圖 3c）顯示，+0.5 V 與 –0.3 V 下吸收差異在 1000 nm 附近最大，而中紅外發(fā)射率幾乎與厚度無(wú)關(guān)（圖 3g），這一發(fā)現(xiàn)指導(dǎo)了薄膜厚度的優(yōu)化策略。

圖 3 | ACCS 主要組成層 PANI-CSA 光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算表征與優(yōu)化。 a. 模擬的二維云圖，展示了厚度為 6 μm 的 PANI-CSA 薄膜的角度依賴發(fā)射率。b. LS 和 ES 之間發(fā)射率對(duì)比度隨 PANI-CSA 厚度和波長(zhǎng)變化的模擬等高線圖。c. 對(duì)于單層 PANI-CSA，在 +0.5 V 和 –0.3 V 偏壓之間吸收率差異的色圖，展示了太陽(yáng)吸收的可調(diào)性。d–f. 不同氧化態(tài) PANI-CSA 薄膜的復(fù)折射率實(shí)部 (n) 和虛部 (k)。g. 在 +0.5 V 和 –0.3 V 下，模擬和實(shí)驗(yàn)確定的 PANI-CSA 反射率光譜對(duì)比。所有模擬結(jié)果均基于橢偏測(cè)量數(shù)據(jù)。

為兼顧柔性與穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)合成了 P(AAm-co-AA) 共聚物離子凝膠（圖 4a），并摻入 Al?O? 納米粒子增強(qiáng)太陽(yáng)光反射。優(yōu)化后的離子凝膠（0.9 g Al?O? / 4.06 cm3）電導(dǎo)率達(dá) 4.88×10?? S cm?1，平均反射率 73.04%（圖 4b,c）。封裝層選用聚乙烯，其與蛇形金集流體復(fù)合后在紫外-可見(jiàn)-近紅外和中紅外波段均保持 ~90% 透過(guò)率（圖 4d），且蛇形設(shè)計(jì)較網(wǎng)格具有更高機(jī)械魯棒性。與現(xiàn)有熱管理技術(shù)對(duì)比（圖 4e–g），ACCS 在柔韌性、開(kāi)關(guān)速度、發(fā)射率調(diào)制幅度和全固態(tài)穩(wěn)定性方面綜合優(yōu)勢(shì)顯著。

圖 4 | ACCS 其他組成層的表征及性能概覽。 a. 離子凝膠組成示意圖：在 EMIES 中含有嵌入 Al?O? 納米顆粒的 P(AAm-co-AA)。PAA，聚丙烯酸；PAAm，聚丙烯酰胺。b. 對(duì)嵌入不同質(zhì)量 (0.6–1.0 g) Al?O? 納米顆粒的離子凝膠樣品（凝膠質(zhì)量 6.145 g）進(jìn)行阻抗測(cè)量的 Nyquist 圖。插圖：用于擬合的等效電路，其中 Q?? 是電極界面電容的常相位角元件，Qc 是離子凝膠-Al?O? 體電容的常相位角元件，Rc 是凝膠的總電阻。c. 添加了 0.6–1.0 g Al?O? 納米顆粒的離子凝膠的實(shí)測(cè)紫外-可見(jiàn)-近紅外反射率光譜。d. 層壓有 Au 蛇形集流體網(wǎng)（厚度 ~1 μm）的 PE 薄膜（厚度 ~16 μm）的實(shí)測(cè)透射光譜。左插圖：薄膜覆蓋在印刷實(shí)驗(yàn)室標(biāo)志上的光學(xué)圖像。比例尺，1 cm。右插圖：薄膜在加熱至 37°C 的熱板上的熱像圖。比例尺，1 cm。e–g. 將 ACCS 與早期熱調(diào)控裝置在柔韌性和開(kāi)關(guān)時(shí)間 (e)、材料相態(tài)和發(fā)射率可調(diào)性 (f)、以及工作光譜范圍和可實(shí)現(xiàn)模式數(shù)量 (g) 方面的比較分析。陰影圓圈和條帶對(duì)文獻(xiàn)中報(bào)道的相關(guān)研究進(jìn)行了分組（引文編號(hào)已在括號(hào)中給出）。對(duì)于 f，MWIR 和 LWIR 分別表示中波紅外（3–5 μm）和長(zhǎng)波紅外（8–14 μm）。后綴 S 和 IR 表示工作光譜區(qū)域（分別為太陽(yáng)光和紅外光）。連接數(shù)據(jù)點(diǎn)的線表示相連的端點(diǎn)屬于同一器件。在 g 中，藍(lán)色條表示僅冷卻器件，黃色條表示僅加熱器件，雙色線表示雙模式操作。光譜區(qū)域邊界處的不一致表示給定模式在不同光譜區(qū)域產(chǎn)生相反的效果。g 中橫軸上的縮寫：PLA，聚乳酸；PTFE，聚四氟乙烯；NPs，納米顆粒；poly(Vdf-HFP)，聚偏氟乙烯-六氟丙烯；PEO，聚環(huán)氧乙烷；TPX，聚甲基戊烯；PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯；DOP，鄰苯二甲酸二辛酯；PMP，聚(4-甲基-1-戊烯)；PDA，聚多巴胺；PVDF，聚偏氟乙烯；PL，聚酰亞胺；TPU，熱塑性聚氨酯；AgNWs，銀納米線；ITO，氧化銦錫；PET，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯；PEDOT:PSS，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽；PDPA，聚二苯胺；pNIPAm，聚(N-異丙基丙烯酰胺)；LDPE，低密度聚乙烯；Li-NMC，鎳錳鈷酸鋰。

熱成像驗(yàn)證了 PANi-CSA 的可調(diào)發(fā)射特性（圖 5a）：35–75°C 熱臺(tái)上，–0.3 V 下薄膜呈亮色（高發(fā)射），+0.5 V 下呈暗色（低發(fā)射）。原始態(tài) PANi-CSA 還能反射人手的熱輻射（圖 5b），證明其本征輻射調(diào)控能力。在溫控腔體內(nèi)的熱損失測(cè)量表明（圖 5c,d），通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)射率，ACCS 可使熱損失穩(wěn)定在人體代謝熱水平（~109 W m?2）附近。北卡羅來(lái)納州教堂山戶外 24 小時(shí)實(shí)測(cè)顯示（圖 5e,f），在正午輻照峰值 1250 W m?2 下，加熱與冷卻模式溫差達(dá) 15.5°C，性能優(yōu)于商用冷卻織物。

圖 5 | ACCS 熱管理性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 a. PANI-CSA 在冷卻模式（左列，施加電位 –0.3 V vs. Ag/AgCl）和加熱模式（右列，施加電位 +0.5 V vs. Ag/AgCl）下，置于 35–75°C（自上而下）熱板上的紅外熱像圖。比例尺，1 cm。b. 原始 PANI-CSA 薄膜反射人體手部輻射的紅外熱像圖，突出了其在原始態(tài)的高紅外反射率。比例尺，2 cm。c. 用于熱損失測(cè)量的溫控腔體示意圖。d. 在不同環(huán)境溫度（16–25 °C）下，從 ACCS 在各種體溫調(diào)節(jié)模式（加熱、冷卻和動(dòng)態(tài)調(diào)諧）下測(cè)得的熱損失。彩色橫條標(biāo)示了一個(gè)代表性的、用戶可選的熱損失窗口，接近人體代謝熱（~109 W m?2）。數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差表示，n = 3 次測(cè)量。e. 北卡羅來(lái)納州教堂山屋頂實(shí)驗(yàn)裝置的照片。裝置包括 2 片 ACCS（一片處于加熱模式，另一片處于冷卻模式）、一片商用冷卻織物（100% 棉織物）、一個(gè)太陽(yáng)能功率計(jì)和一個(gè)定制的溫度采集系統(tǒng)。f. 十月某 24 小時(shí)期間測(cè)得的實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻照度以及 ACCS（加熱和冷卻模式）和商用冷卻織物的溫度。

器件在 ±1.3 V 偏壓下可實(shí)現(xiàn)快速可逆切換，且各狀態(tài)可保持超 21 小時(shí)（圖 6a）。單次切換能耗僅 20.8–59.2 mWh m?2，智能手機(jī)電池可支持 2 m2 面積超 210 次循環(huán)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步集成了藍(lán)牙低功耗柔性電路板與 0.3 W 太陽(yáng)能電池（圖 6b），實(shí)現(xiàn)凈零能耗閉環(huán)控制。有限元分析表明腕帶式 ACCS 在彎曲時(shí)應(yīng)變極低（圖 6c），且器件具備防水與抗壓能力。實(shí)際穿戴演示中（圖 6d–f），ACCS 可根據(jù)陰天（~16°C）與晴天（~21°C）環(huán)境自動(dòng)切換加熱與冷卻模式，并通過(guò)智能手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮膚溫度、濕度與工作狀態(tài)。

圖 6 | ACCS 的魯棒性、溫度穩(wěn)定、可持續(xù)性和可穿戴性演示。 a. 在 132 小時(shí)間歇性（20 秒）施加電壓偏置至 ACCS 期間，ACCS 的顏色變化和電流變化的循環(huán)時(shí)間序列，電壓掃描順序?yàn)閺?–1.3 V 到 +0.2 V 到 +0.5 V 到 +0.8 V 再回到 –1.3 V。比例尺，1 cm。b. 用于個(gè)人體溫調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)功能框圖。該系統(tǒng)包括一個(gè)腕帶式 ACCS、一個(gè)示意圖渲染的用戶界面、一個(gè)作為電源的柔性太陽(yáng)能電池板，以及一個(gè)用于供電和數(shù)據(jù)處理的 fPCB。LED，發(fā)光二極管。c. 腕帶式 ACCS 的 FEA。ε 表示應(yīng)變。d, e. 陰天 (d) 和晴天 (e) 時(shí) ACCS 在人體手腕上的照片。ACCS 分別被偏置為深綠色外觀的加熱模式 (d) 和淺綠色外觀的冷卻模式 (e)。環(huán)境溫度（深綠色線）、皮膚溫度（橄欖綠色線）、相對(duì)濕度（黃色線）、施加的電壓偏置（淺橙色線）、ACCS 紅外發(fā)射率（深橙色線）和相對(duì)熱通量（紅線）被無(wú)線發(fā)送到智能手機(jī)。比例尺，5 cm。f. 在人體手腕上進(jìn)行無(wú)線操作的 ACCS 演示。除 ACCS 外，可穿戴系統(tǒng)還集成了溫度和濕度傳感器、基于 BLE 的無(wú)線控制模塊以及一個(gè)小型柔性太陽(yáng)能電池板。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出的 ACCS 將多光譜電致變色 設(shè)計(jì)理念與可持續(xù)熱管理需求深度融合，為減少建筑能耗、實(shí)現(xiàn)分布式個(gè)人熱舒適提供了可行技術(shù)路徑。盡管目前仍存在白天亞環(huán)境冷卻能力不足、聚合物寬帶發(fā)射率限制冷卻效率等問(wèn)題，但未來(lái)通過(guò)納米光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與聚合物微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有望進(jìn)一步提升光譜選擇性與調(diào)控精度。這種可溶液加工、柔性、低功耗的 自適應(yīng)熱管理平臺(tái)，將在智能穿戴、自適應(yīng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力全球碳中和與氣候適應(yīng)目標(biāo)。