透明、隔熱新材料問世，登上Science！

在建筑能耗不斷攀升的今天，窗戶成了“最薄弱的環(huán)節(jié)”。雖然它們只占建筑外立面約 8% 的面積，卻貢獻(xiàn)了近 50% 的熱量流失——冬天漏熱、夏天漏冷，怎么都不省心。現(xiàn)有解決方案如透明氣凝膠、真空玻璃等，要么成像模糊、難以大尺寸制造，要么成本過高、密封可靠性不足。最核心的瓶頸在于：想要透明，就必須做得像玻璃一樣均勻；想要隔熱，又必須像氣凝膠一樣“多孔輕盈”。如何在納米尺度上同時兼顧光學(xué)與熱學(xué)指標(biāo)，是長期懸而未決的挑戰(zhàn)。

今日，美國科羅拉多大學(xué) Ivan I. Smalyukh教授團(tuán)隊給出了一項顛覆性答案：他們構(gòu)建了一類被稱為 MOCHI（Mesoporous Optically Clear Heat Insulators）的新型介孔透明隔熱材料，通過控制納米管網(wǎng)絡(luò)的尺寸、取向與孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了 >99% 可見光透過率、<12 mW·m?1·K?1 的超低導(dǎo)熱率（低于靜止空氣），還能擴(kuò)展到平方米級薄膜與厘米級厚板。透明度媲美玻璃，卻隔熱性能堪比火星探測車用的高端氣凝膠，為窗戶、天窗以及太陽能熱利用帶來了全新的材料選擇。相關(guān)成果以“Mesoporous optically clear heat insulators for sustainable building envelopes”為題發(fā)表在《Science》上。

一種“凍住空氣”的透明材料是如何煉成的？

MOCHI 的制造過程從液晶表面活性劑的自組裝開始。當(dāng) CPCL（十六烷基吡啶氯化物）在溶液中形成柱狀膠束時，研究團(tuán)隊加入 MTMS（甲基三甲氧基硅烷）并用酸催化使其水解，再用 TEMED 促使其交聯(lián)成固體骨架。在（圖1a）（圖1b）展示的制備體系中，這些膠束像“3D 模板”一樣，規(guī)定了最終納米管網(wǎng)絡(luò)的尺寸與分布。完成凝膠化后，材料經(jīng)過水–乙醇交換，再用超臨界 CO? 干燥，將孔隙完全替換為空氣，自此得到整體孔徑均一、結(jié)構(gòu)連續(xù)的透明介孔材料。透射電鏡圖像（圖1c）顯示出類似“樹枝狀網(wǎng)絡(luò)”的納米管結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步的三維斷層重建（圖1e–1g）揭示這些納米管在幾十納米尺度上呈現(xiàn)有序排列，非常接近“固體版的空氣管道”。每個納米管的壁由聚硅氧烷組成（圖1j），孔徑約為 5–30 nm，小到遠(yuǎn)低于光波波長，也遠(yuǎn)低于空氣分子自由程（約 60 nm），這對材料的光學(xué)與熱學(xué)表現(xiàn)至關(guān)重要。

圖1：MOCHI 的多尺度結(jié)構(gòu)

透明度為什么能比玻璃還高？

當(dāng)光透過 MOCHI 材料時，由于折射率與空氣極其接近（僅 1.025–1.03），光幾乎不會發(fā)生反射或散射。圖2b 顯示，即便在超過 70° 的大角度入射下，其透過率仍保持在 90% 以上，而同場對比的玻璃在約 40° 后就幾乎完全不透明。這意味著 MOCHI 可以讓窗戶“更像不存在”，在實際應(yīng)用中帶來更好的采光體驗。更夸張的是，兩個 MOCHI 板材只需輕輕壓在一起，就能在界面上形成“光學(xué)接觸”（圖2e），使界面完全消失，透過率瞬間提升（圖2f）。相比之下，玻璃之間很難做到這種效果，因為表面硬且不貼合。這種柔性、高透界面，讓 MOCHI 可以無縫拼接成任意尺寸的透明隔熱面板。此外，材料還表現(xiàn)出輕微的雙折射效應(yīng)（圖2c），在激光下呈現(xiàn)類似“光學(xué)單晶”的周期散射條紋（圖2b 小圖），表明其納米管網(wǎng)絡(luò)在宏觀尺度上也具有一定方向性，這是特殊干燥條件造成的“自發(fā)取向”結(jié)果。

圖2：光學(xué)性能

隔熱性能為何能比空氣還強(qiáng)？

MOCHI 的隔熱表現(xiàn)遠(yuǎn)超科學(xué)界原先的認(rèn)知。在圖3展示的測試中，材料在約 90% 孔隙率下出現(xiàn)極低的導(dǎo)熱率，僅 10–12 mW·m?1·K?1，甚至低于靜止空氣，這源于其納米管孔徑小于空氣分子自由程，使熱量難以在氣體中傳播；而由聚硅氧烷構(gòu)成的細(xì)長管壁又進(jìn)一步增加了固體網(wǎng)絡(luò)的“繞路”難度，加上材料在熱紅外波段對輻射的吸收與再發(fā)射作用，使熱流被有效“困”在外側(cè)。研究團(tuán)隊將 MOCHI 板材封裝入玻璃制成隔熱單元（圖3c–3f），結(jié)果顯示這些窗戶在寒冷條件下仍保持高度透明，且熱漏顯著低于常規(guī)雙層玻璃，熱阻 R 值可達(dá) 2.64–3.65 m2·K·W?1，接近墻體級別的保溫水準(zhǔn)。同時，由于其三維納米網(wǎng)絡(luò)能散射聲波，MOCHI-IGU 在 1–5 kHz 頻段的隔音性能也優(yōu)于傳統(tǒng)雙層玻璃。材料自身還能通過激光切割形成復(fù)雜形狀（圖3g），并在長期環(huán)境老化測試后依舊保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出實用化潛力。

圖3：隔熱表現(xiàn)

透明隔熱還能發(fā)電？MOCHI 的太陽能熱捕獲能力

圖4進(jìn)一步展示了 MOCHI 在太陽能熱捕獲上的“隱藏技能”。它對可見光與近紅外高度透過，卻強(qiáng)烈阻隔熱紅外，使進(jìn)入的太陽能幾乎無法逃逸，從而在黑體吸收板上產(chǎn)生類似溫室效應(yīng)的熱積累（圖4a）。實測表明，在自然日照下吸收板溫度可升至約 300°C（圖4b），達(dá)到無聚光太陽能系統(tǒng)的最高紀(jì)錄之一；而在高溫下材料對短波紅外的半透明特性，則讓部分熱量重新逸出，形成圖4c–4d 所示的平衡過程?；谌蛱栞椛淠M（圖4e），研究者估算只需幾塊平方米級 MOCHI–太陽能板，便能滿足美國多數(shù)地區(qū)獨棟住宅采暖與制冷的大部分能耗，并在圖4f 中可視化了不同地區(qū)所需的面板數(shù)量。這意味著 MOCHI 不僅能讓窗戶更節(jié)能，還可能讓建筑成為自供能的熱能收集系統(tǒng)。

圖4：太陽能熱捕獲應(yīng)用

小結(jié)

總體來看，MOCHI 的出現(xiàn)打破了“透明”和“隔熱不可兼得”的傳統(tǒng)認(rèn)知：它能像玻璃一樣清澈，又能像墻體一樣鎖住熱量，還具備隔音、可加工、可大面積擴(kuò)展等特性。從提升窗戶能效，到實現(xiàn)太陽能熱利用，它展示了材料設(shè)計在納米尺度上的巨大潛能。隨著工藝逐步成熟，這類“透明超隔熱材料”有望真正走向建筑、能源和日常生活，讓未來的窗戶不僅更省能，也更聰明、更具功能性。