智能光/電/熱材料：解鎖“萬物感知”新可能
關鍵詞： 智能光 / 電 / 熱材料，雙碳目標，跨尺度仿真，應用創新，發展趨勢
科技日報記者宗詩涵
穿上薄薄“智能溫控外衣”的航天器可應對極端多變的空間環境，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℃，模仿北極熊毛發結構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”目標驅動下，智能光/電/熱材料正成為突破能源發展瓶頸的關鍵。
為探討智能光/電/熱材料的低維化、柔性化與智能化發展路線，日前，40余位專家學者匯聚北京香山，共同參加主題為“變革性智能光/電/熱功能材料關鍵科學技術問題”的第Y11次香山科學會議。該會議由中國科學院上海硅酸鹽研究所申辦。
賦予材料“生命”
數據顯示，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，能源技術的底層創新成為破局關鍵，而智能光/電/熱材料憑借其動態響應與精準調控能力，成為突破能效瓶頸的核心引擎。”會議執行主席、中國科學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形式，三者之間可以相互轉換。“如何綜合研究三者之間的能量轉換關系，以高效利用能量實現綠色發展目標，是當前材料領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/熱材料能夠自發感知環境。北京科技大學材料科學與工程學院教授張錚提出，生命的智能在于突變，智能光/電/熱材料的智能也在于突變，既適應環境的變化，也改變環境，讓環境更容易接受材料。
在曹遜看來，智能光/電/熱材料的智能體現在具有多功能性和良好調控性能，既能實現從微觀到宏觀的跨尺度響應，也能在光、熱、電傳導之間實現跨時域調控。“從零能耗建筑的溫控幕墻到深空探測器的自適應熱管理，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
要讓智能光/電/熱材料能夠感知環境并作出響應，智能傳感與動態感知技術的發展必不可少。
現有傳感器因材料或結構的固有缺陷，以及多物理場耦合能力的不足，存在靈敏度受限、響應速度不足、環境適應性差等問題。“通過精準調控材料微結構及電子態，可提升載流子遷移率，增強智能光/電/熱材料動態響應與靈敏度，從而突破高精度傳感技術瓶頸，為更好實現光熱調控功能奠定基礎。”曹遜介紹。
同時，跨尺度仿真技術是實現材料性能精準預測的關鍵。然而，微觀機理難以預測宏觀非線性行為，跨尺度仿真面臨效率與精度的雙重挑戰。“如何實現材料性能從電子結構到宏觀行為的跨尺度調控，揭示并優化其多物理場響應機制，是當前材料科學領域面臨的重要挑戰。”吉林大學材料科學與工程學院教授張立軍說。
此外，傳統光熱調控受制于靜態材料性能單一、動態材料響應遲滯、光熱電耦合損耗以及熱流不可控等問題，導致能量利用率低下與系統失穩風險上升。“在能源高效利用及電子器件高度集成的迫切需求下，材料的熱能轉換及管理是相關技術提升的關鍵。”會議執行主席、同濟大學材料科學與工程學院教授裴艷中說，基于半導體效應的熱電發電與制冷是行之有效的手段，但其基礎和應用研究均面臨力、熱、電、磁等諸多方面挑戰。
極端環境下的材料穩定性是另一關鍵難題。以太空智能輻射器件為例，其在原子氧侵蝕、紫外輻照及熱循環耦合作用下，使用壽命會急劇縮短，這要求材料設計兼顧原子級晶格穩定性與宏觀機械魯棒性。
催生應用創新
盡管智能光/電/熱材料發展面臨多重挑戰，但其技術突破已催生跨領域應用創新，展現出巨大發展潛力。
清華大學材料學院教授沈洋團隊設計并制備的新型柔軟壓電復合材料，通過構筑壓電陶瓷在聚合物基體內的三維聯通網絡，破解了彈性模量失配問題，實現了應力的有效傳遞。此類新型材料在高靈敏度可共形水聽器、智能傳感驅動器等領域展現出廣闊應用前景。
在全球氣候變暖加劇、極端高溫事件頻發的背景下，會議執行主席、華中師范大學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，致力于通過光熱精準調控技術應對全球變暖挑戰，為人體熱管理、建筑和地球環境降溫提供創新解決方案。
“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℃，為高溫作業人員與特種行業從業者提供舒適安全保障；在汽車領域，無源降溫超材料織物的應用可使車內溫度降低約12℃，減少空調能耗并延長續航里程；在建筑領域，該材料涂料涂裝后的樣板房表面最高可降溫21.8℃，室內日間最高可降溫約9.7℃到11.1℃，顯著降低空調使用頻率與建筑能耗。”陶光明介紹。
吉林大學電子科學與工程學院教授白雪團隊重點關注稀土這一國家戰略資源，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域展現出顯著優勢。
在曹遜看來，未來10年，智能光/電/熱材料的發展將呈現三大趨勢。其一是AI驅動的材料基因工程。基于千萬量級的材料數據庫與強化學習算法，逆向設計將大幅縮短研發周期。其二是原子制造與跨尺度集成。借助分子束外延與原位監測技術，原子級平整的異質界面得以實現，將支撐量子芯片與拓撲光子器件取得突破。其三是多學科共生與生態重構。零碳建筑、深空探測等重大場景需光、電、熱、機多模態協同，倒逼材料與系統設計的范式革命。
“材料變革的本質，是打破材料科學與工程應用的學科壁壘，走向‘萬物感知—自主調控—環境共生’的新紀元。”曹遜說，未來，材料不再僅是功能的載體，更是智能生態的建構者。
責任編輯：駱香茹
