本文综述了近年来仿生光热管理智能高分子材料的重要研究进展，包括具有温度自适应特性的太阳光辐射动态调控和红外热辐射动态调控的智能高分子材料。首先介绍的是具有温度自适应特性的液晶和水凝胶材料在太阳光辐射动态调控方面的应用，然后介绍在中长红外波段具有可调发射率的红外热辐射动态调控高分子材料。最后讨论了仿生光热管理智能高分子材料在未来发展和潜在应用方面的机遇和挑战。
具有温度自适应特性的太阳光辐射动态调控液晶材料
液晶是一种兼具液体流动性和晶体的各向异性的材料，通过改变外界刺激如光、电、热等能够改变自身的性质。近年来，电控调光膜已经在实际生活中应用于光热管理如智能窗等领域。但其透明状态需要施加电场才能维持，因此，电控调光膜不能实现真正意义上的节能。为了解决这一问题，研究人员开发了一系列具有温度自适应特性的液晶复合材料。
北京大学杨槐教授团队在世界上首次报道一种高分子稳定液晶材料(Polymer Stabilized Liquid Crystals, PSLC)，实现不同温度下可见光透过率的动态调控。该 PSLC 主要由具有 SmA~N* 相转变的液晶材料、光聚合单体、手性剂和光引发剂组成。通过 PSLC 内部形成的高分子网络可以锚定 SmA 的取向，此时液晶处于垂直
在此基础上，天津大学王玲教授和美国肯特州立大学李全院士等人开发了一种可自适应周围环境的功能化石墨烯掺杂高分子稳定液晶调光薄膜，该薄膜能够感知周围环境温度和红外辐射强度的变化，从而实现其可见光透过率在透过态和光散射态之间的自动切换（如图 1 所示）。
图 1：(a)功能化石墨烯掺杂高分子稳定液晶在 700 nm 处的透过率随温度的变化; (b)功能化石墨烯掺杂高分子稳定液晶在 700 nm 处的透过率随近红外辐射时间的变化; (c)室温下薄膜透明态的实物图; (d)高温薄膜光散射态的实物图
图源：Materials Today, 2017, 20(5): 230-237
为了保证 PSLC 中的液晶分子在高分子网络的锚定作用下也可以驱动，一般高分子网络的含量都很低，这也就导致 PSLC 薄膜粘结强度低，难以实现柔性和规模化生产。为了解决这个问题，北京大学杨槐团队在 PSLC 的基础上结合 PDLC 中高分子含量高的特点，创造性地提出了一种高分子分散与稳定液晶（Polymer Dispersed and Stabilized Liquid Crystals, PD&SLC）共存体系（如图 2 所示）。虽然 PD&SLC 能够实现可见光区域透过率的有效调控，但为了进一步提高节能效率，杨槐团队加入了 ITO(氧化铟锡)、CsxWO3（钨酸铯）和 W-VO2（钨掺杂二氧化钒）等具有屏蔽近红外光特性的纳米粒子，这样制备的 PD&SLC 膜在有效调控可见光的同时还能屏蔽近红外光。有望应用在智能窗户、汽车贴膜和航空航天等民用和军事领域。
图 2：(a) PD&SLC 大规模生产示意图; (b) PD&SLC 在透明态和散射态的实物图
图源：Nanoscale Horizons, 2017, 2(6): 319，Fig 2(a) ; Materials Horizons, 2017, 4 (5): 878-884.
具有温度自适应特性的太阳光辐射动态调控水凝胶材料
水凝胶是一种亲水的聚合物网络，在低临界溶解温度时，因为相变自发地改变对太阳光透过率。水凝胶被认为是一种潜在的光热管理材料。例如，Zhou Yang 等人首次通过将聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝胶颗粒分散到水中并形成均质溶液并夹在两层玻璃之间，开发了高储能热响应智能窗（HTEST 智能窗）（如图 3 所示）。
这样设计的智能窗不仅有传统智能窗调控太阳光的能力，还能储存能量。在温度较低的夏天早上或晚上，窗户将保持透明的状态，同时由于窗户的高储热性，外界的温度很难传递到室内，此时温度会比较低。到夏天的中午，室外温度较高激活了窗户的不透明模式，将散射太阳光, 防止进一步加热房间。在冬天的时候，窗户始终保持透明并且储存热量。
图 3：温度自适应太阳光辐射动态调控水凝胶材料
图源：Joule, 2020, 4(11): 2458-2474.
红外热辐射动态调控智能高分子材料
一切温度高于绝对零度的物体都在以热辐射的形式传递能量，而在温度较低的环境如地球主要以红外线的形式传播。红外可以分为近红外（0.76-1.5 μm）、短波红外（1.5-3 μm）、中波红外（3-8 μm）、长波红外（8-15 μm）以及远红外（15-1000 μm）。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，热辐射通量与温度和发射率有关。当一个物体所处环境温度固定时，调节发射率是实现动态调控的最佳手段。有趣的是，对自然界的许多生物如银蚁、甲虫、头足类动物以及响尾蛇等而言，红外调控对调节体温、获取信息、交流以及伪装等生存之道尤为重要。
受此启发，实现中长波红外动态调控在航空航天技术、个人热管理、辐射冷却等领域均具有广泛的应用。尤其是在光热管理领域，日间被动辐射冷却和辐射加热技术带来了新的机遇。但是目前研究的材料的发射率都是单一的，因此，研发能发生变化以适应环境的智能高分子材料，实现不同刺激下如温湿度、机械力、光、电等的红外辐射的动态调节对未来热管理的发展具有重大的意义。
例如，王育煌等人在纤维上涂覆碳纳米管制备了一种红外自适应纺织品，仅调整皮肤的湿度，该纺织品的红外辐射变化率可达到 35% 以上。这种随环境变化自适应的“门控”效应来自于相邻涂层纤维之间的电磁耦合，当热和潮湿的时候，相邻纤维上的导电元素更紧密地结合在一起，电磁耦合得到了增强，从而更好地匹配人体地热辐射，有效提高了热交换(如图 4 所示)。
图 4：一种红外自适应纺织品的设计原理
图源：Science, 2019, 363(6427): 619-623.
值得一提的是，除了高分子材料，无机材料如 VO2 等在红外辐射动态调控领域也备受关注。Long 和 Wu 团队在 Science
图 5：(a) 夏季智能窗户的工作原理; (b) 冬季智能窗户的工作原理; (c) 辐射涂料材料的发射率的温度自适应特性以及应用于家庭屋顶的热管理的示意图
图源：Science, 2021, 374(6574): 1501-1504; Science, 2021, 374(6574): 1504-1509.