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【热致变色凝胶】南京工业大学王倩 Sci.China.Mat.: 用于可视化热管理的层压自修复热致变色凝胶

2026-04-29 21:42:34

智能调温黑科技！这款自修复热致变色凝胶，让室温自适应还超节能!

关键词：热变色凝胶、层压结构、自修复、热调制

近日，南京工业大学王倩团队在《Science China Materials 》发表题为 “Laminated self-healing thermochromic gel for visualizing thermal management ” 的研究论文，研发出一款层压自修复热致变色凝胶（DEE-DA），凭借温敏调透光、自修复、耐老化的多重特性，实现了宽温域双模式热调控，为智能建筑、可穿戴设备的热管理提供了全新材料方案，堪称能 “感知温度、自我修复” 的智能温控材料！

下面我们来好好拆分学习一下这篇影响因子为7.4的中科院一区论文，学习大佬科研思路。

文章导读

背景概要

全球气候变暖背景下，建筑热管理成为节能与提升居住舒适度的关键，智能温控材料需求迫切。热致变色凝胶凭借温度响应性光学调节能力，在建筑、可穿戴等领域极具应用潜力，但其存在机械强度弱、易老化、耐候性差等短板；离子凝胶虽机械性能更优，却受限于透光性和光热调制可逆性，且现有层状凝胶制备工艺复杂，难以满足实际应用需求，亟需开发兼具高性能与实用性的热致变色材料。

文章摘要

热致变色软材料是一种具有弹性的功能性材料，能够根据温度自动调整光学特性（透射率、反射率或散射率）以实现热调节。在此研究中，通过将热致变色水凝胶（DA）封装在两个疏水性离子凝胶（DEE）之间并以堆叠方式排列，合成了一种层状热致变色凝胶（DEE-DA）。多种动态键的协同作用赋予了 DEE-DA 凝胶卓越的机械性能和出色的自愈能力（在 30°C 时为 98.8%）。更重要的是，由于氢键和硼酸酯键的温度响应性可逆断裂和重组，DEE-DA 凝胶能够实现可调的透射率，光调制效率为 85.45%。针对各种外部条件，该凝胶能够自动调整光学特性以避免阳光照射或热量散失。因此，该凝胶能够在较宽的温度范围内实现高效的双模式热调节，从而实现热管理。该研究提出了凝胶热致变色性和层状耐久性的增强方法，以用于智能建筑和可穿戴设备中的自适应材料。

图文速览

DEE-DA 凝胶的结构示意图

图 1 DEE-DA 凝胶的结构示意图（a）、热管理应用示意图（b）及其调控机制示意图（c）。

热致变色性能

图 2 DEE-DA 凝胶的热致变色性能。（a）DEE-DA 凝胶热致变色性能示意图。（b、c）DEE-DA 凝胶在不同温度下的紫外 - 可见光透射光谱、透光率及光调制系数（Γlum）。（d）DEE-DA 凝胶在不同温度下的 X 射线衍射（XRD）图谱。（e、f）DA 水凝胶与 DEE-DA 凝胶的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱。

DEE-DA 凝胶的热调制性能应用

图 3 （a）用于模拟室内测试的模型屋在太阳辐照下的实物照片。（b）模型屋中能耗与能量输入随辐照时间的能量分布。（e）使用 DEE-DA 凝胶、玻璃及无遮挡条件下室内温度Tin的变化。（f）在室外日照模型屋中，室温、Tout、Tin以及无遮挡（None）条件下的温度随暴露时间的变化。（g）在 8:00、11:00 和 15:00 时，DEE-DA 凝胶与玻璃的日照效果对比（中国江苏省南京市，2024 年 9 月 9 日）。（h、i）DEE-DA 凝胶与玻璃在低温条件下用于保温测试的原型，以及 DEE-DA 凝胶（实线）和玻璃（虚线）中水温Twater、Tout和Tin的相应变化。

实验小结

材料效果	效果归因
1、热调制性能：10-60℃宽温域内自适应调节透光率，光调制效率 85.45%（可见光）、太阳辐射调制率 70.99%；低温（＜20℃）半透明保热，30℃高透明采光，高温（＞60℃）不透明隔热，实现双模式热调控。 2、自修复性能：30℃下修复 12h 效率达 98.8%，-20~60℃全工作温域可稳定修复，修复后断裂应变≈1000%、断裂应力＞100kPa。 3、环境稳定性：水接触角 112°（疏水自清洁），7 天溶胀率≈0%，20 天脱水率仅 4.5%，耐紫外线、温湿度波动，老化缓慢。 4、机械与应用效果：1000 次拉伸循环无降解，10-60℃保持弹性；模型屋测试中，高温比传统玻璃降温 2.1℃、单立方米节能 2.1442J，低温保温降温速率降低 24%。	1. 热调制效果：依赖 DA 水凝胶中氢键与硼酸酯键的温度响应性可逆断裂 / 重组，配合层间强相互作用，实现聚合物网络有序 - 无序结构转变，进而调控光散射与透光率。 2、自修复效果：凝胶内部多重动态键（静电、离子 - 偶极、π-π、氢键、硼酸酯键）协同，叠加高聚合物链流动性，受损后动态键快速重组恢复结构与性能。 3、稳定与机械效果：三明治层状结构中，外层 DEE 离子凝胶的强疏水性（C-F 键富集）形成防护屏障，抑制 DA 水凝胶溶胀脱水；层间 π-π 堆叠、离子 - 偶极等作用增强结构完整性，提升机械强度与循环稳定性。 4、应用效果：热调制与结构稳定的协同，使凝胶能自适应环境温度变化，高效阻断太阳辐射或减缓热量散失，实现建筑节能与温控。

材料效果

效果归因

1、热调制性能：10-60℃宽温域内自适应调节透光率，光调制效率 85.45%（可见光）、太阳辐射调制率 70.99%；低温（＜20℃）半透明保热，30℃高透明采光，高温（＞60℃）不透明隔热，实现双模式热调控。

2、自修复性能：30℃下修复 12h 效率达 98.8%，-20~60℃全工作温域可稳定修复，修复后断裂应变≈1000%、断裂应力＞100kPa。

3、环境稳定性：水接触角 112°（疏水自清洁），7 天溶胀率≈0%，20 天脱水率仅 4.5%，耐紫外线、温湿度波动，老化缓慢。

4、机械与应用效果：1000 次拉伸循环无降解，10-60℃保持弹性；模型屋测试中，高温比传统玻璃降温 2.1℃、单立方米节能 2.1442J，低温保温降温速率降低 24%。

1. 热调制效果：依赖 DA 水凝胶中氢键与硼酸酯键的温度响应性可逆断裂 / 重组，配合层间强相互作用，实现聚合物网络有序 - 无序结构转变，进而调控光散射与透光率。

2、自修复效果：凝胶内部多重动态键（静电、离子 - 偶极、π-π、氢键、硼酸酯键）协同，叠加高聚合物链流动性，受损后动态键快速重组恢复结构与性能。

3、稳定与机械效果：三明治层状结构中，外层 DEE 离子凝胶的强疏水性（C-F 键富集）形成防护屏障，抑制 DA 水凝胶溶胀脱水；层间 π-π 堆叠、离子 - 偶极等作用增强结构完整性，提升机械强度与循环稳定性。

4、应用效果：热调制与结构稳定的协同，使凝胶能自适应环境温度变化，高效阻断太阳辐射或减缓热量散失，实现建筑节能与温控。

实验结论

在本研究中，综上所述，本研究采用层层堆叠法制备了一种新型层压热致变色凝胶，将性能迥异的 DA 水凝胶与 DEE 离子凝胶整合为一种多功能柔性材料。该层级结构协同兼备了热致变色性、自修复性能（修复效率 98.8%）与优异的环境稳定性（抗脱水、抗溶胀）。值得关注的是，依托氢键与硼酸酯键的温度响应性可逆断裂与重组，DEE-DA 凝胶在 10–60 ℃温度范围内展现出温度响应型热调制能力，热调制效率高达 66.7%。凭借相较于传统玻璃更卓越的热调控能力与节能潜力，这种多层堆叠聚合物为热致变色柔性材料的应用开辟了创新路径，可广泛适用于特种柔性涂层、智能建筑、可视化智能穿戴设备以及信息安全加密等领域。

论文信息

文章标题：Laminated self-healing thermochromic gel for visualizing thermal management

文章DOI：10.1007/s40843-025-3747-3

（也可以点击阅读原文，直接浏览这篇文章。）

期刊：Science China Materials

影响因子：7.4

第一作者：Siying Wang

通讯作者：Qian Wang

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