仿生中空结构在隔热材料中的热管控应用

Bio-inspired hollow structures for thermal management in insulation materials

摘要

近年来，高性能复合材料的应用需求与新材料结构设计相互促进、共同发展。仿生结构研究为创造高性能复合结构材料提供了创新源泉，也为设计开发新型功能器件提供了高效方法。南极企鹅羽毛和北极熊毛发均具有天然的微纳米级大孔结构，其低热导率有利于企鹅和北极熊在极寒地区维持体温。基于中空结构优异的隔热特性，研究人员已在多种尺度上仿生设计并宏量制备一系列隔热材料，并对其性能开展了系统研究，促进了该类材料的工程化应用。本文综述了以中空大孔结构的企鹅羽毛和北极熊毛发为灵感设计的仿生隔热材料研究。该类材料具有微米级孔隙结构，其孔径尺寸接近分子自由程。通过建模分析，进一步揭示了仿生中空结构中的热量传递机制。本文重点综述了仿生中空隔热材料的研究进展，展望了该类材料未来的研究方向，探究了其在界面光热蒸发、能源利用和生态保护等方面的潜在价值。通过对生物结构特性的深入解析及其在应用中的构效关系研究，有望推动设计开发结构稳定、性能卓越的仿生材料。

Abstract

In recent years， the application demand of high-performance composites and the structural design of novel materials have exhibited synergistic advancement. Research on bionic structures has served as an innovative foundation for developing high-performance composite structural materials， while also providing efficient methodologies for designing new devices. Both antarctic penguin feathers and polar bear fur have natural macro-nano porous structures， which low thermal conductivity facilitates thermoregulation in extremely cold regions. Inspired by the exceptional thermal insulation performance of hollow structures， researchers have biomimetically designed and scalably fabricated a series of thermal insulation materials across multiple scales， accompanied by systematic investigations of their properties， thereby accelerating the engineering application of such materials. This review critically examines recent advancements in bionic hollow insulation materials， outlines prospective research directions for this class of materials， and investigates their potential applications in interfacial solar thermal evaporation， energy utilization， and ecological conservation. Through in-depth analysis of biological structural characteristics and comprehensive investigation of structure-property relationships in practical applications， this field is poised to advance the design and development of biomimetic materials with enhanced structural stability and superior performance.

Graphical abstract

关键词

仿生结构 / 中空隔热材料 / 分子自由程 / 界面光热蒸发

Key words

bionic structure / hollow insulation material / molecular free path / interfacial solar thermal evaporation

随着全球能源危机日益加剧以及对可再生能源需求的持续增长，太阳能的高效转化和利用已成为当今科学研究的重要方向。该领域不仅涉及新型光伏材料的开发，还包括高效热管控材料在能源储存与利用过程中的关键作用。近年来，随着热管控材料的制备工艺不断革新，多功能性和高效能已成为材料研发的核心发展趋势。材料性能的提升很大程度上依赖于其微观结构，尤其是在微米甚至纳米尺度上的精细构造。例如孔隙结构、层级排列和多维度构造，均能显著影响材料的传热行为。通过结构设计与优化，材料在隔热、导热调控和能量储存等方面的性能实现了显著的提升。与此同时，新型材料的开发为可再生能源的利用提供了更加灵活且高效的解决方案。

仿生学的提出和发展为材料科学，尤其是热管控材料领域，提供了新的研究思路。自然界极端环境下，许多恒温动物通过长期进化形成了高效的隔热和耐热结构。此类生物在极端环境下，环境温度与体温相差过大，需要特殊的保温机制维持其生理过程，尤其在水生环境中，热量传递过程损失更为迅速。根据热对流换热方程q_conv = h·ΔT （其中q_conv为热通量（或热流密度），J/（m²·s）；h为对流换热系数，J/（m²·s·℃）；ΔT为对流两相间温度差，℃），热对流换热系数水环境中约为空气中的两倍，造成的热损失最高可达数十倍。这样的热损失对于人类生存来说是不可想象的，但长期生活在极寒环境下的动物，例如：企鹅、北极熊等，利用自身结构保持体温，减少热量损失，从而维持体温，保证其正常生存。研究这些生物的保温机制，可以为开发高性能仿生材料提供重要借鉴。仿生中空材料不仅在传统建筑、穿戴设备等领域展现出广阔应用前景，在极端环境下的应用，如航空航天和军事装备中，其轻质化与高效能特性也极为关键。借助仿生技术的推动，未来热管控材料将朝着更轻便、更极端隔热的方向发展，为装备在极端条件下的长效低能耗运行提供重要保障。

本文综述了基于企鹅羽毛和北极熊毛发中空结构的仿生保温材料研究进展，重点分析了其微米级孔隙结构在抑制固体热传导和气体热对流方面的优势，阐明了通过截留空气增强隔热性能的机制。该结构在降低材料密度的同时，能显著提升保温性能，为设计轻质高效材料提供了依据。最后展望指出，应聚焦于多级结构材料的复合及其综合性能之间的构效关系研究，通过结构优化提升其实用性能，推动其在节能建筑、界面光热转化等领域的应用。

1 企鹅羽毛和北极熊毛发的中空大孔结构

受自然界耐寒生物的启发，本节聚焦于分析企鹅羽毛和北极熊毛发的微米级中空结构形貌，并阐述其隔热特性。已有研究表明，仿生此类结构可成功制备具有中空结构形貌和微纳米级尺寸的复合材料，并表现出优异的隔热性能。探索孔隙尺度接近空气自由程的低热导多孔材料的宏量制备和隔热机制，对于开发低热损耗仿生复合隔热材料具有重要的意义。

1.1 中空大孔结构的性质

企鹅羽毛和北极熊毛发的主要作用有以下两点：一方面是内部结构实现局热作用；另一方面是整体结构实现疏水和避水接触作用。在地球两极极端环境中，企鹅和北极熊能正常生活，得益于覆盖在身上天然隔热材料中的中空多孔结构。北极熊的毛发和企鹅的羽毛均具有中空大孔结构^［1］（图1），孔径约为20 μm，远大于50 nm以下中孔范围和空气自由程67.3 nm，能够实现良好的保温效果。它们依靠羽毛和毛发阻止身体热量散失，即使在长期-20 ℃以下的环境里依旧可以正常生存，这引起了科学家的广泛关注。Urszula等^［2］研究了企鹅的羽毛结构在不同条件下对保温性能的影响。研究发现，企鹅羽毛和北极熊毛发中空大孔结构有效降低导热性，阻止了热传递过程，以保证热量在动物体内得到有效保留。该结构为设计多功能太阳能转化材料^［3-4］提供了理论基础，并已在多个领域得到广泛应用。

得益于其大孔孔径远大于空气自由程的特性，中空结构不仅能有效隔绝气体分子，还能将空气限制于空隙内。这种有序的中空多孔结构能显著抑制空气流动，从而降低材料导热性能。同时，该类结构中形成大量的固-气界面，能增强红外反射，减少由皮肤向外界辐射红外波所引发的热辐射损失。因此，中空大孔结构的毛发能有效地抑制皮肤与环境的热量传递过程，有助于维持体温恒定。Jia等^［5］以北极熊毛发中发生的光热转换过程为基础，建立并优化了用于评估内部热量转换机制的光热转换模型。两种动物都在寒冷的冰川之中进行游泳、捕猎等生存活动，利用紧密排列在中空结构外围的毛发表面的角蛋白纤维防止冰冷的海水与皮肤直接接触，有效防止热量损失，保持体温。Metwally等^［2］通过研究企鹅羽毛和北极熊毛发内部结构可用于设计保温材料。

除了内部中空结构，覆盖在其表面的各种物质也能用于保温，北极熊在黑色的皮肤上长着厚厚的毛发，每一根毛发看起来是白色的，实际上其毛发具有高透光性^［6］，可以促进太阳光直接照射到皮肤表面，也能加热中空结构中的空气。毛发紧密贴合皮肤表面，阻挡了热量由内向外传递过程，防止热量从北极熊体内散失，达到保温效果。Williams等^［7］进一步研究了企鹅羽毛的中空多孔结构并模拟传热过程中羽毛不同结构的作用，发现企鹅的轮廓羽毛密度非常大。Kulp等^［8］研究了企鹅羽毛中的角蛋白纳米纤维和其微观结构，发现轻巧的羽毛中含有的角蛋白纳米纤维具有隔热性。因其表层修饰油脂分子，羽毛还兼具超疏水性能。Wang等^［9］研究企鹅羽毛防霜冻和防冰冻性能，总结出其微观结构对于疏水性和抗黏附性的影响，防止羽毛在冰冷的海水中结冰和结霜。与此同时，Dawson等^［10］通过建立企鹅羽毛传热模型进而计算其热导率，并与实验值比较，研究表明热量在企鹅羽毛中热传递过程受到抑制，因而企鹅羽毛可以维持恒定的体温，以保证企鹅正常的生命活动。

1.2 中空大孔结构的应用

企鹅羽毛和北极熊毛皮的生物结构不仅为其提供优良的保温性能，还能利用自身结构吸收能量，Wang等^［11］发现北极熊毛发表面不光滑结构和内部中空结构能吸收太阳能，然后运输到黑色的皮肤表面进行光热转换，同时进行能量吸收和热量隔绝，保证北极熊体内的热量充足，维持其正常生活。值得注意的是，北极熊毛发中发生的两个过程都有益于实际生产：一方面，人们研究北极熊毛发内部结构，设计仿生材料，用于隔热；另一方面，人们研究太阳能吸收和光热转化过程，设计界面光热蒸发器，实现太阳能的高效利用^［12］。

太阳能应用主要集中在发电、海水淡化和太阳能电池等领域。过去10年间，以钙钛矿等太阳能电池^［13］为代表的光伏技术成为利用太阳能的主要方式。近年来，通过设计界面光热蒸发器^［14］，利用太阳能实现海水淡化也逐渐成为研究热点。Zhao等^［15］研究了基于界面水蒸发的太阳能利用技术，而Zhan等^［4］则受北极熊毛发结构启发，制备了一种兼具超弹性和绝热性能的碳管气凝胶，并系统研究了其结构对导热性的影响。Zhan等^［16］基于北极熊毛发结构设计出一种兼顾隔热和光吸收性能的碳管气凝胶材料，并将其应用于太阳能水蒸发（图2（a）~（c））。在蒸发器的设计中，也离不开对热量传递的控制，人们通过设计蒸发器结构来控制热量传递的方向，通过优化结构以引导热量向蒸发界面集中能更高效地将能量用于汽化界面的水分子，减少水分子运输过程中的热量损失。Cui等^［17］研究了一种多功能的太阳能蒸发器，在具有较高蒸发速率的同时还能降解污染物，Bahners等^［18］以北极熊毛发结构为基础设计了一种太阳能转换器，并通过材料改性提升转化器性能。Zhao等^［19］以荷藕的形态为基础，设计出一种仿生蒸发器，其三维框架大孔结构有效地降低了材料密度和导热性，提升了蒸发器的性能，进一步的研究发现，在水蒸发系统中，材料孔道结构趋近于空气自由程时，有利于抑制热对流引起的能量损耗（图2（d），（e））。

界面光热蒸发技术利用多孔亲水隔热黑体材料，在气-液相界面将太阳能转化为热能，通过高效蒸发-冷凝相变过程，实现海水的快速脱盐和污水的高效净化过程，被视为目前经济、可持续和低碳排放的水再生技术之一。相较于底相（能量转化效率η≤ 30%）和体相（η ≤ 50%）热闪蒸技术，界面光热蒸发技术的η达90%以上。这主要得益于该技术利用了低热导材料，将光-热转化能量管控在局部相变位置，从而抑制热扩散过程。北极熊毛发和企鹅羽毛独特的内部中空结构，为开发新型低热导黑体材料提供了创新思路，也为研究水相变过程中的隔热机制奠定了材料设计基础。相关研究不仅有利于缓解目前全球化石能源使用压力，同时也为实现清洁、高效淡水生产提供了可行途径。

2 隔热材料的热量传递

热传递形式分为三种：热对流、热辐射和热传导。在材料中严格控制三者的相对关系，可精准控制材料的散热性能，制成各种热管控材料。热对流主要存在于气体介质中，随着气体分子的流动改变热量分布，所以材料的内部结构通过对流来实现热管控。热辐射通过电磁波传递热能，在可见光区波段具有较强的辐射。同时，材料的热辐射也和热吸收相联系，二者的相对强弱决定了材料的性质。最主要的是热传导，固体分子在平衡位置周围产生晶格振动；气体分子之间相互碰撞均可进行热传导。在研究中可以用热导率来衡量物体的导热性，物体的热导率与材料的组成、结构、温度、压强等许多因素有关。一般说来：金属的热导率最大，非金属次之，液体再次之，而气体的最小。基于上述热传递机制，本节重点阐述仿生中空结构通过模拟生物材料的微观构造，实现对热对流、热辐射与热传导的协同调控，从而形成高效的隔热机理。

2.1 中空结构的隔热机理研究

北极熊毛发具有天然核壳结构，内部多孔核心能够有效抑制空气对流，而外部致密组织不仅具有疏水性和透气性，还可以提供机械保护以维持整体结构稳定。该结构不仅减少了导热路径，还凭借高红外反射率和多重反射效应显著抑制热量损失。北极熊毛发的宏观结构分为两层（图3（a）），较长的无色透明防护刚毛层和柔软的白色绒毛层。防护刚毛层具有较高的紫外光透过率，可透射紫外线以提升内部空气温度^［20］。绒毛层具有较低的导热性和红外透射率，能减少体内热量损失。研究发现，在相同的紫外光照射下，中空结构的北极熊毛发温度因吸收紫外光能而上升，而实心结构的羊毛纤维则无明显响应，由此可见北极熊毛发具有光热转换性能。然而，研究尚未明确中空结构吸收的紫外光能是否可以有效地向皮肤传递，因此北极熊毛发在光热转换中究竟保温作用更大，还是紫外加热作用更强，仍有待深入研究。进一步表征发现，北极熊毛发的太阳光吸收波谱范围大于羊毛纤维，荧光光谱中的斯托克斯位移值更大，证实中空结构的北极熊毛发具有更高的光热转换作用。

中空大孔结构隔热材料的总导热系数（{\lambda }_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}）由固体传导系数（{\lambda }_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{d}}）、气体传导系数（{\lambda }_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s}}）和热辐射系数（{\lambda }_{\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}）构成：{\lambda }_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}} = {\lambda }_{\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{d}} + {\lambda }_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s}} + {\lambda }_{\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}。由于中空多孔结构增加声子散射，减少固体传导。气体传导系数如公式{\lambda }_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s}}=\phi \frac{{\lambda }_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s},\mathrm{0}}}{\mathrm{1}+\mathrm{2}\beta K_{\mathrm{n}}}所示，其中{\lambda }_{\mathrm{g}\mathrm{a}\mathrm{s},\mathrm{0}}为自由空间内的气体热导率，φ为孔隙度，β为材料固有特征常数，Κ_n为气体分子在特定孔隙中的平均自由程与等效孔径之比。气体传导中由于内部等效孔径小于气体平均自由程，Κ_n较大，使整体气体传导系数也较小。热辐射系数如公式{\lambda }_{\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}=\frac{\mathrm{16}}{\mathrm{3}}·\frac{n^{\mathrm{2}}\sigma T^{\mathrm{3}}}{\rho e}所示，其中n为平均折射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T为辐射体的温度，ρ为平均密度，e为比消光系数。由于中空结构比消光系数e较高，因此其热辐射系数相对较低。三者共同决定了北极熊毛发在低温条件下具有较低的热传导系数。基于此，当前研究已不再局限于组分调控开发本征隔热材料，还可以通过设计中空结构实现高性能隔热功能。Chang等^［21］设计出分层封闭结构的全碳气凝胶，使其在高温度下也具有较低的导热系数。Liu等^［22］利用碳封层策略并研究碳含量对构建高机械强度、高耐温和高温导热性低的轻质气凝胶材料的影响。结果表明，质量分数为10%碳的气凝胶综合性能最佳，保温机制如图3（b）所示，在高温下，气体导热和热辐射系数总和最小，实现高温下绝热。

在光热水再生应用中，采用中空多孔结构为主体的蒸发器能诱导光的多重反射以结构的吸光性。同时，双峰孔隙不仅有利于离子扩散，还能抑制蒸发器表面的积盐结晶，维持蒸发器表面清洁及三维结构的稳定，从而实现持续高效的水净化过程。该结构在保持蒸发器体积不变的同时显著增加比表面积，提升可拉伸性与吸光性，降低设备材料的密度，便于其在水面漂浮并与其他有关设备集成。在利用多孔材料制造隔热建筑材料时，如陶瓷、二氧化硅等，颗粒的壁厚和直径等参数对其隔热性的影响尤为关键。研究表明，增加小尺寸空心材料的比例可降低材料体系的导热率，提升隔热效果。此外，利用与北极熊毛发中相似的核壳结构还能提升气凝胶材料的抗拉伸性和韧性。例如，Zhang等^［23］通过在片层状纤维素纳米纤维网络中生长无机矿物，显著提升了材料的抗压性、韧性和隔热性。如图3（c）所示，气凝胶中的热量传递受介孔网络结构影响显著。当材料孔径（20 nm）远小于空气平均自由程（70 nm）时，气体分子的运动和碰撞过程受到限制，从而抑制了气体对流和传导过程。同时，片层状结晶纳米纤维和非结晶纳米颗粒之间形成微界面，增加了声子散射，减弱了固体骨架的分子振动，抑制固体热传导过程。常温下，材料与环境的热辐射过程贡献较小。综合来说，材料表现出优异的隔热性能。Bai等^［20］利用冷冻纺丝法制备了纤维气凝胶，通过控制挤出速度和冷源温度调控内部中空结构，在利用热塑聚氨酯溶液包裹干燥后，得到具有与北极熊毛发相似的核壳结构，如图3（d）所示。外部的聚氨酯层能提升气凝胶纤维的机械强度，内部中空多孔结构能减少热量损失，实现优异的隔热效果。

2.2 隔热材料热量传递的影响因素

在材料热传递性能研究中，需从热传导、对流和辐射三种形式进行综合分析。材料的导热系数与其孔径和密度密切相关，高导热材料适用于热传递场景，而低导热材料则多用于保温领域。Retsch等^［24］采用不同孔径的二氧化硅空心球胶体系统研究了孔隙尺寸和类型对热传递行为的影响，如图4（a）所示。图4（b）展示了二氧化硅空心球胶体晶体中的主要热传递途径，包括开孔和闭孔材料的固体热传导、气体热传导与对流以及热辐射，并用红色框标记了关键热路径。图4（c）结果表明，不同尺寸二氧化硅空心球在氦和空气以及不同真空度下的热导率均有较大差异。Hu等^［25］也综述了通过减小孔径尺寸以降低材料的导热系数对热量传递过程的调控机制。仿生微结构导热系数可通过建模分析获得。基于所观察生物微观结构进行建模，并通过方程求解获取热导系数。例如，Zhu等^［26］通过建立一维热传导方程计算北极熊毛发孔膜结构的导热性。如图4（d）所示，Wang等^［27］和He等^［28］利用分数阶复变换将衡量北极熊毛发导热性的分数型微分方程转换为常微分方程，不仅简化了求解过程，也更精准地描述分形介质（如羊毛纤维、鹅绒和北极熊毛）中的热传导特性。

利用高分辨率的扫描电子显微镜（SEM）可以对材料的孔隙与分层结构进行精细表征，以便构效分析。Du等^［29］通过建立企鹅羽毛结构的传热模型，结合理论公式对热辐射过程进行量化分析，如图4（e）所示，发现其羽毛中小尺寸的球形单元及特殊几何构型可有效减少热损失，从而具备优异的隔热性能，该模型与文献数据吻合良好。Li等^［30］运用分数阶导数来模型分析了北极熊毛发的分型孔隙结构对其隔热性能的影响，揭示了北极熊毛发中的分型孔隙在隔绝热量方面的理论机制。这些研究通过对数学模型的计算和阐释，深入探究了材料结构对导热行为及热管控性能的影响，为理解材料隔热机制提供了理论依据。此外，材料的太阳反射率和中红外发射率同样也能对材料的隔热性能产生影响，现代辐射制冷技术利用物体与外太空之间的大气窗口进行辐射换热，从而实现无能源消耗的被动冷却过程。相较于传统压缩冷却方式在能耗和环保方面的优势显著。自然界中也有很多生物体内结构具有高效被动辐射制冷的功能，这对于其进行温度调节具有重要作用。此类生物机制也为开发新型仿生材料并应用于实际生产提供了重要启示。

2.3 隔热材料热量传递的启发

能量是表征物质运动转换的物理量，其传递过程虽难以直接观测，但可通过光热转换和热传递等过程中伴随的物体宏观性质变化予以间接推断。He等^［28］研究发现，北极熊毛发的中介结构不仅为隔热材料设计提供了仿生基础，还可用于开发从环境中捕获并转化能量的功能材料。仿生材料在复现生物体精细结构特性的同时，往往还赋予材料超越生物本体性能的新功能，这为仿生材料在生物医学等前沿领域的研究提供了重要思路。例如，Chen等^［31］总结了不同维度的光子晶体仿生材料结构在生物传感、生物检测等方面展现出的高选择性和高灵敏性等优势。何鹏等^［32］也综述了热管控材料的研究进展，并指出其在能源、电子、航天等多领域应用中的重要性正日益提升。

3 隔热仿生材料的发展

仿生结构是材料结构创新设计的重要源泉，为新型器件和设备的研发提供了丰富灵感。自然界通过长期进化优化出众多性能卓越的生物结构，为高性能材料的设计带来了深刻启示。早期，生物结构的研究致力于特殊生物体所具备的、人类所缺乏的各种内在生理机制与外部活动能力。通过直接处理生物本体，保留主要的生物结构加以使用。但脱离活体后的生物结构不可避免会因为各种处理手段，性能显著衰减，甚至全部损失。随着材料制备工艺的不断发展，大量与生物结构和性能相近的仿生材料被报道，部分材料甚至能在生物结构的基础上加以改进，展现更高性能的仿生材料特性。从研究生物体到研究生物结构再到自主合成并组装生物微观结构，研究者逐步推动了结构与功能相统一，局部与整体相协调的材料体系发展。当前，仿生材料的研究聚焦于设计创新结构和发明新型器件，相应的研究成果已广泛应用于军事科技、离子电子学、建筑学、空气动力学等各项领域，促进仿生材料和相关领域协同发展。

3.1 仿生隔热材料的设计与应用的发展

材料的结构对其性能影响显著。早期研究中，完成新材料的研发依赖一系列检测手段，通过对材料的结构和性质进行分析和检测，研究其实用价值。该过程设计效率有限。仿生学建立后，人们转向自然界，借鉴动植物特殊结构的优异性质，通过解析生物体结构，形成仿生制品，该过程显著提升了材料的创新速度。仿生材料的研究基本路径包括：识别目标生物特性，解析生物结构，再借助现代技术进行材料的设计及制备。仿生材料的发展逐渐由传统模式走向创新模式，不断拓展材料的性能边界和应用场景。

传统仿生设计主要利用生物结构和性能的单一对应关系。以企鹅和北极熊仿生结构研究为例，自然生物中，高效隔热的关键策略多为空气截留^［33］，但在水环境中，多孔结构中的孔隙易被高导热性的水替代，导致整体结构的隔热性能下降。因此，以企鹅羽毛和北极熊毛发为设计基础的仿生结构需同时兼具空气截留性能以及表面疏水性。人类表皮的保温性远不如覆盖厚重毛发的动物。早期，人们直接利用生物本体材料，如羽绒、蚕丝、棉花等，在寒冷的环境下实现保温目的。羽绒服及蚕丝被，其纤维内部结构和纤维之间都存在大量孔隙。近年来，隔热材料的研究不断推进，保温纺织品的材料体系日益丰富。表1^{［1，3-4，10，15-16，25，33-38］}为隔热材料的热管控应用研究进展，如表所示，常用的隔热材质包括橡胶类聚合物、生物质基材料、碳/硅气凝胶及有机相变材料等。尽管材料种类繁多，但材料体系的隔热机制均依赖于多孔结构设计。多孔结构截留空气的能力很大程度上决定了其热管控性能^［39］。Wang等^［40］研究发现，蚕丝蛋白纤维内部分布有多层致密结构，可以有效截留空气，抑制空气对流。植物纤维，如棉絮，同样具有优异的隔热性，被广泛应用于日常保暖^［41］。

材料仿生设计过程中，研究者通过模仿生物结构，利用高性能前驱体（或原料）制备各种新材料。Wang等^［35］利用北极熊毛发中空核心和多空壳结构制造蜂窝型隔热多级纺织材料。Shao等^［33］以北极熊毛发结构为基础制作了一种隔热性良好的纺织品。Wang等^［36］根据北极熊毛发结构设计了一种隔热、高拉伸、阻燃和耐高温的气凝胶纤维，并用于保温。Tian等^［42］通过表征不同材料表面的疏水性随微观结构的变化，指导设计高性能疏水仿生材料。Zhang等^［43］研究了高纯天然橡胶的分子结构、力学性能和动态力学性能。研究发现这些结构在离开动物体内后仅能发挥部分结构性质，且性能也存在衰减现象。如：植物气孔结构可辅助蒸腾作用进行内部温度调节，通过水分蒸腾达到散热效果，并能结合环境变化调节自身微结构防止失水过多。但人工仿生制品，其结构难以复现其自适应调节能力。因此，实现更优性能，需将材料进一步优化，设计仿生复合材料^［44-45］，推动研究从传统向创新设计过渡。如利用热敏材料模拟生物体在环境温度变化下进行内部离子通道改变的自我调节行为，制成能自我感知环境温度变化，并自动调节的高性能温度感知仿生材料。也可以利用每层材料的热膨胀系数差异，在红外光照射时，两层弯曲程度不同造成材料结构的改变，增加材料对温度的灵敏性。

创新设计注重将仿生结构与其他功能材料单元复合，以拓展其应用范围。在隔热材料的前沿研究中，基于仿生材料结构进行界面修饰与重构发展迅速^［46］。Cui等^［34］在仿生纤维的基础上添加碳纳米管等电热材料，拓宽仿生隔热材料的应用范围。以天然分子为原料用3D打印技术可以制备具有特殊功能结构的太阳能蒸发器材料^［47］，该方法简便且易于实现复杂仿生结构的设计制备过程。Du等^［37］将北极熊毛发的中空结构与二氧化硅复合，制备了兼具隔热和紫外防护功能的气凝胶复合材料。Cao等^［48］受北极熊毛发结构启发，基于绒毛状碳框架开发出高性能光热电催化材料。Wang等^［49］以北极熊结构为基础制作了具有优良隔热性和高红外透射率的三元复合陶瓷气凝胶材料。Chen等^［38］模仿北极熊毛发结构，制备超弹性和高绝热性碳管气凝胶。仿生设计不仅用于高性能结构材料研究方面，还用于各类功能材料方面，如涂料、潜水服、石油管道、建筑保温等^［50］，为节能降耗、功能集成的新材料发展提供原始创新力。

3.2 仿生隔热材料的研究扩展

仿生材料已广泛用于热管控领域，并显著提升了热量利用效率^［51］。除隔热生物结构材料外，自然界还广泛存在着各种具有优异隔热/散热（辐射制冷）功能的温控/温感生物质结构材料^［46］。Yu等^［52］通过研究生活在撒哈拉沙漠中银蚁表面的纤毛结构（图5（a）），发现其三角形的密集毛发（图5（b））能增强中红外辐射的辐射率和可见-近红外反射率，表现出优异的辐射制冷性能。同样，生存于温暖环境下的蝴蝶^［53］，其翅膀上亚微米三角形微结构能通过细微形态变化改变翅膀的透射率，进而调节自身的散热能力，使体温比外界环境低8 ℃（图5（c））。图5（d）进一步表明，蝴蝶翅膀可以感知辐射强弱变化，并通过生理调节避免局部过热引起灼伤。该结构为仿生结构的设计提供了新的思路。生物结构出色的保温能力不仅来源于结构，还来源于生物体对辐射的敏感程度从而对其做出反应。蝮蛇具有极高的红外灵敏度器官，独特的悬浮结构，有助于帮助它感受极小的温度变化，在黑暗的环境中也能通过红外感应定位到恒温动物的体温，实现精准捕猎^［54］。变色龙、章鱼、蝉等生物同样对辐射有着出色生物调节能力^［55-59］，能够感受环境的变化并作出生理响应，帮助其隐藏。这样的生物调节过程可用于仿生材料的多功能利用，促进结构和功能相协调。由此可见，生物体在进化过程中形成的特征结构及其生理调控机制，为开发结构与功能协同的多功能仿生材料提供了重要借鉴。

4 展望

总的来说，仿生中空结构在隔热材料中的热管控应用前景广阔。它不仅提高了隔热性能和能源利用效率，还有助于实现更加环保和可持续的建筑设计。在隔热材料中，仿生中空结构可以应用于多个方面，具体包括：（1）增强隔热性能。通过模仿自然界中的中空结构，如蜂巢或蚁穴，可以设计出具有高隔热性能的建筑材料。这种材料能够有效地阻挡外部热量的传入，保持室内温度的稳定。（2）降低热传导。中空结构能够有效地降低热传导系数，使得热量传递减缓或受到阻碍。这有助于减少能源损失，如在冬季保持室内温暖或在夏季保持室内凉爽。（3）调节内部温度。仿生中空结构还可以用于调节内部温度，例如，在航天器或某些工业设备中，中空结构可以作为热缓冲区，帮助设备在温度变化时保持稳定的运行状态。（4）优化热管理。在需要精确控制温度的场合，如数据中心、精密仪器或电动汽车，仿生中空结构能够提供更加优化的热管理方案，确保设备在各种环境下都能保持最佳性能。（5）环保与可持续性。由于仿生中空结构主要模仿自然界的生物，因此其生产过程相对环保。这种材料的使用也有助于实现可持续发展的目标，减少对自然资源的过度依赖。

纵观近年仿生结构在隔热材料热管控方面应用的研究进展、该领域面临的挑战与机遇主要包含以下方面：（1）在未来的研究过程中，大力发展仿生材料性能可调，应用广泛的优势，并努力克服结构制造的困难，追求创新，结合传统生物材料生物协调性好和对环境友好的优点。因此，需要在研究中结合仿生材料的使用条件和外部环境进行全面设计和模拟，尽可能使仿生材料具有生物结构处于生物体内的所有特性，充分利用生物质结构与组分的协同效应和作用机制，设计出性能更好的仿生材料。（2）随着环境和能源等问题日益突出，清洁能源（例如风能、太阳能、氢能等）的开发利用以及能源的利用效率优化提升已成为热点课题之一。将仿生结构材料的开发与清洁能源利用相结合，发开更高效的能源利用途径，有利于进一步拓展新型功能和结构材料的应用领域。（3）仿生结构为复合材料提供结构基础，使涂层材料等表面作用更加容易发挥，促进不同材料发展，并且结构基础不局限于宏观生物，拓展研究微生物的结构，并将其与生物、材料和医疗等方面相结合，可促进仿生结构的全面发展。（4）目前仿生材料向多功能、高性能、环保、创新等方向发展，对设计要求也越来越严格，不仅要在性能上处于较高水平，还要在实用性和融合性上进行改进。随着时代的迅速发展，对新型材料的需求巨大，仿生材料作为一项有坚实理论基础的研究方向，人们需要继续进行创新和动植物结构研究，寻找新型生物结构的同时，将材料和各项应用领域结合，拓展仿生材料的使用场景，二者是仿生材料发展不可缺少的两大途径。（5）生物结构的多样性促进材料研究的创新性，仿生隔热材料的结构作用于热管控过程，将其分解为吸收热量和散失热量两个过程。吸热过程有利于保温材料、界面光热水蒸发、红外温度传感利用等领域的研究；散热过程有利于辐射制冷、蒸发制冷、能源节约和利用等领域的研究。如何将以上两过程与其他性能相结合，并实现人为宏观调控是有待解决的问题，也是目前与人工智能时代接轨的未来发展趋势。

5 结束语

生态环境中有太多奇妙的生物体功能结构值得我们不断探索，不断学习。创新的基础可以是任何值得深入研究的事物。我们在自然选择中以高等生物的形式存在，自然界便是最直观的学习来源，最广阔的创新源泉。仿生材料的研究面临着总结自然界生物结构优势和将其应用到材料中的挑战，同时，如何选择载体材料和复合材料也是此研究领域中的一个机遇。合成性能优异的仿生材料需要不断地对材料进行优化和改性，最终做到结构和性能高度结合。仿生中空结构的材料能够有效地阻挡热量的传递，提高隔热性能。这种材料可以应用于建筑、汽车、航空航天等领域，帮助减少能源消耗和维护设备正常运行。除了提高隔热性能外，仿生中空结构的材料还具有其他重要研究意义：（1）低成本材料宏量制备。仿生中空结构的材料通常具有较低的成本，因为其制备工艺相对简单，材料资源丰富。在隔热领域中，使用这种材料可以降低生产成本，提高经济效益。（2）促进环保和可持续发展，推动双碳政策落实。仿生中空结构的材料往往来源于自然界的生物或植物，其生产过程相对环保。这种材料的使用有助于减少对传统材料的依赖，降低环境污染，促进环保和可持续发展。（3）促进原始创新研究，拓宽隔热材料的应用领域。仿生中空结构的材料为隔热领域的研究提供了新的思路和方法。通过研究这种材料的结构和性能，可以进一步探索隔热材料的原理和应用，推动隔热技术的创新和发展，拓展其在未来新信息科学领域的材料应用。

参考文献

[1] ZHAO H Y， HUANG J， ZHOU J， et al. Biomimetic design of macroporous 3D truss materials for efficient interfacial solar steam generation［J］. ACS Nano， 2022， 16（3）：3554-3562.

[2] METWALLY S， MARTINEZ C S， ZARZYKA M， et al. Thermal insulation design bioinspired by microstructure study of penguin feather and polar bear hair［J］. Acta Biomaterialia， 2019， 91：270-283.

[3] ALVA G， LIU L， HUANG X， et al. Thermal energy storage materials and systems for solar energy applications［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017， 68：693-706.

[4] ZHAN H J， WU K J， HU Y L， et al. Biomimetic carbon tube aerogel enables super-elasticity and thermal insulation［J］. Chem， 2019， 5（7）：1871-1882.

[5] JIA H， ZHU J， LI Z， et al. Design and optimization of a photo-thermal energy conversion model based on polar bear hair［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2017， 159：345-351.

[6] PENG H K， ZHAO H Y， ZHANG X F， et al. Fabric composites inspired by the structure of polar bear hair for collecting solar thermal energy［J］. Sustainable Energy Technologies and Assessments， 2022， 52：102205.

[7] WILLIAMS C L， HAGELIN J C， KOOYMAN G L. Hidden keys to survival： the type， density， pattern and functional role of emperor penguin body feathers［J］. Proceedings of the Royal Society B： Biological Sciences， 2015， 282（1817）：20152033.

[8] KULP F B， D’ALBA L， SHAWKEY M D， et al. Keratin nanofiber distribution and feather microstructure in penguins［J］. The Auk： Ornithological Advances， 2018， 135（3）：777-787.

[9] WANG S， YANG Z， GONG G， et al. Icephobicity of penguins spheniscus humboldti and an artificial replica of penguin feather with air-infused hierarchical rough structures［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2016， 120（29）：15923-15929.

[10] COLIN D， JULIAN F V， GEORGE J， et al. Heat transfer through penguin feathers［J］. Journal of Theoretical Biology， 1999， 199（3）：291-295.

[11] WANG Q， HE J H， LIU Z. Intelligent nanomaterials for solar energy harvesting： from polar bear hairs to unsmooth nanofiber fabrication［J］. Front in Bioengineering and Biotechnology， 2022， 10： 926253.

[12] ZHANG X R. Natural future of energy utilization［J］. International Journal of Energy Research， 2017， 41（6）：757-760.

[13] QIN F， CHEN J， LIU J， et al. Design of high efficiency perovskite solar cells based on inorganic and organic undoped double hole layer［J］. Solar Energy， 2023， 262： 111796.

[14] HE W， ZHOU L， WANG Y， et al. Ternary hierarchical structure based solar-driven evaporator for long-lasting concentrated brine treatment［J］. EcoMat， 2023， 5（8）： e12355.

[15] ZHAO H Y， DONG W X， DENG Y， et al. Biomass-based biomimetic-oriented Janus nanoarchitecture for efficient heavy-metal enrichment and interfacial solar water sanitation［J］. Interdisciplinary Materials， 2022， 1（4）：537-547.

[16] ZHAN H J， CHEN J F， ZHAO H Y， et al. Biomimetic difunctional carbon-nanotube-based aerogels for efficient steam generation［J］. ACS Applied Nano Materials， 2020， 3（5）：4690-4698.

[17] CUI L， MA C， WANG P， et al. Rationally constructing a 3D bifunctional solar evaporator for high-performance water evaporation coupled with pollutants degradation［J］. Applied Catalysis B， 2023， 337： 122988.

[18] BAHNERS T， SCHLOSSER U， GUTMANN R， et al. Textile solar light collectors based on models for polar bear hair［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2008， 92（12）：1661-1667.

[19] ZHAO H Y， ZHOU J， YU Z L， et al. Lotus-inspired evaporator with Janus wettability and bimodal pores for solar steam generation［J］. Cell Reports Physical Science， 2020， 1（6）： 100074.

[20] WU M R， SHAO Z Y， ZHAO N F， et al. Biomimetic， knittable aerogel fiber for thermal insulation textile［J］. Science， 2023， 382（6677）：1379-1383.

[21] CHANG X， WU F， CHENG X， et al. Multiscale interpenetrated/interconnected network design confers all‐carbon aerogels with unprecedented thermomechanical properties for thermal insulation under extreme environments［J］. Advanced Materials， 2023， 36（7）： 2308519.

[22] LIU F， HE C， JIANG Y， et al. Carbon layer encapsulation strategy for designing multifunctional core-shell nanorod aerogels as high-temperature thermal superinsulators［J］. Chemical Engineering Journal， 2023， 455： 140502.

[23] ZHANG J， ZHENG J， GAO M， et al. Nacre‐mimetic nanocomposite aerogels with exceptional mechanical performance for thermal superinsulation at extreme conditions［J］. Advanced Materials， 2023， 35（29）： 202300813.

[24] RUCKDESCHEL P， PHILIPP A， RETSCH M. Understanding thermal insulation in porous， particulate materials［J］. Advanced Functional Materials， 2017， 27（38）：1702256.

[25] HU F， WU S， SUN Y. Hollow-structured materials for thermal insulation［J］. Advanced Materials， 2019， 31（38）：e1801001.

[26] ZHU W H， PAN Y Y， LI Z B， et al. One-dimensional heat conduction equation of the polar bear hair［J］. Thermal Science， 2015， 19（）：179-181.

[27] WANG Q L， HE J H， LI Z B. Fractional model for heat conduction in polar bear hairs［J］. Thermal Science， 2012， 16（2）：339-342.

[28] HE J H， WANG Q L， SUN J. Can polar bear hairs absorb environmental energy？［J］. Thermal Science， 2011， 15（3）：911-913.

[29] DU N， FAN J， WU H， et al. An improved model of heat transfer through penguin feathers and down［J］. Journal of Theoretical Biology， 2007， 248（4）：727-735.

[30] HE J H， LI Z B， WANG Q L. A new fractional derivative and its application to explanation of polar bear hairs［J］. Journal of King Saud University-Science， 2016， 28（2）：190-192.

[31] CHEN X， GUO Q， CHEN W， et al. Biomimetic design of photonic materials for biomedical applications［J］. Acta Biomaterialia， 2021， 121：143-179.

[32] 何鹏， 耿慧远. 先进热管理材料研究进展［J］. 材料工程， 2018， 46（4）： 1-11.

[33] HE P， GENG H Y. Research progress of advanced thermal management materials［J］. Journal of Materials Engineering， 2018， 46（4）：1-11.

[34] SHAO Z， WANG Y， BAI H. A superhydrophobic textile inspired by polar bear hair for both in air and underwater thermal insulation［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 397： 125441.

[35] CUI Y， GONG H， WANG Y， et al. A thermally insulating textile inspired by polar bear hair［J］. Advanced Materials， 2018， 30（14）：e1706807.

[36] WANG L， CHI W， LIU C， et al. Large‐scalable polar bear hair‐like cellular hollow fibers with excellent thermal insulation and ductility［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2022， 139（42）：53018.

[37] WANG Y， CUI Y， SHAO Z， et al. Multifunctional polyimide aerogel textile inspired by polar bear hair for thermoregulation in extreme environments［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 390：124623.

[38] DU A， WANG H， ZHOU B， et al. Multifunctional silica nanotube aerogels inspired by polar bear hair for light management and thermal insulation［J］. Chemistry of Materials， 2018， 30（19）：6849-6857.

[39] CHEN C， HU L. Super elastic and thermally insulating carbon aerogel： go tubular like polar bear hair［J］. Matter， 2019， 1（1）：36-38.

[40] SULLIIVAN T N， WANG B， ESPINOSA H D， et al. Extreme lightweight structures： avian feathers and bones［J］. Materials Today， 2017， 20（7）：377-391.

[41] WANG H， ZHOU B， MA M， et al. Structure and properties of flat cocoon silk after silk reeling［J］. Materials Research Express， 2022， 9（5）：055403.

[42] MARTINEZ-SANZ M， PETTOLINO F， FLANAGAN B， et al. Structure of cellulose microfibrils in mature cotton fibres［J］. Carbohydrate polymers， 2017， 175：450-463.

[43] TIAN Y， YAN S， SONG C， et al. Research on the influence of micro-morphology on the hydrophobicity of material surface［J］. Colloid and Interface Science Communications，2022， 46：100556.

[44] ZHANG B L， HUANG H H， WANG Y Z， et al. Study on molecular structure and property of highly purified natural rubber［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis， 2018， 134：130-135.

[45] WU W， XU Y， MA X， et al. Cellulose-based interfacial solar evaporators： structural regulation and performance manipulation［J］. Advanced Functional Materials， 2023， 33（36）：2302351.

[46] CHEN J， XIAO G， DUAN G， et al. Structural design of carbon dots/porous materials composites and their applications［J］. Chemical Engineering Journal， 2021， 421：127743.

[47] AN S， SHI B， JIANG M， et al. Biological and bioinspired thermal energy regulation and utilization［J］. Chemical Reviews， 2023， 123（11）：7081-7118.

[48] ZHANG X， YAN Y， LI N， et al. A robust and 3D-printed solar evaporator based on naturally occurring molecules［J］. Science Bulletin， 2023， 68（2）：203-213.

[49] CAO Y， GAO L， WANG B， et al. Polar bear hair inspired supra-photothermal promoted water splitting［J］. ACS Materials Letters， 2022， 4（10）：1912-1920.

[50] WANG J， LI H， LIU H， et al. Polar bear hair inspired ternary composite ceramic aerogel with excellent interfacial bonding and efficient infrared transmittance for thermal insulation［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2023， 43（11）：4927-4938.

[51] HAN X， WU J， ZHANG X， et al. Special issue on advanced corrosion-resistance materials and emerging applications. the progress on antifouling organic coating：from biocide to biomimetic surface［J］. Journal of Materials Science & Technology， 2021， 61：46-62.

[52] WIPRACHTIGER M， HAUPT M， HEEREN N， et al. A framework for sustainable and circular system design： development and application on thermal insulation materials［J］. Resources， Conservation and Recycling， 2020， 154：104631.

[53] SHI N N， TSAI C C， CAMINO F， et al. Thermal physiology. keeping cool： enhanced optical reflection and radiative heat dissipation in saharan silver ants［J］. Science， 2015， 349（6245）：298-301.

[54] TSAI C C， CHILDERS R A， NAN S N， et al. Physical and behavioral adaptations to prevent overheating of the living wings of butterflies［J］. Nature Communications， 2020， 11（1）：551.

[55] GRACHEVA E O， INGOLIA N T， KELLY Y M， et al. Molecular basis of infrared detection by snakes［J］. Nature， 2010， 464（7291）：1006-1011.

[56] TEYSSIER J， SAENKO S V， Van Der MAREL D， et al. Photonic crystals cause active colour change in chameleons［J］. Nature Communications， 2015， 6：6368.

[57] XU C， STIUBIANU G T， GORODETSKY A A. Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods［J］. Science， 2018， 359（6383）：1495-1500.

[58] LIU X， XIAO C， WANG P， et al. Biomimetic photonic multiform composite for high-performance radiative cooling［J］. Advanced Optical Materials， 2021， 9（22）：2101151.

[59] ZHANG H， LY K C S， LIU X， et al. Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2020， 117（26）：14657-14666.

[60] BOUSACK H， KAHL T， SCHMITZ A， et al. Towards improved airborne fire detection systems using beetle inspired infrared detection and fire searching strategies［J］. Micromachines， 2015， 6（6）：718-746.

基金资助

国家自然科学基金(22105196)

江苏省高等教育内涵建设与发展双一流校人才启动费(2023r034)

中国博士后科学基金面上项目(2023M731753)

教育部产学合作协同育人项目(230811274807258)