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光和热是人类生存和发展的基础，随着我国载人航天、深空探测、在轨维护和安全等航天领域重大任务的实施可再生能源、通讯、光学、和国防等领域的发展，以及，亟需高性能光、热调控材料和技术的突破，对材料的光和热的调控性能提出更高要求。团队以国家和国防重大需求为导向，工程应用为目标，针对空间复杂环境光、热调控需求，从仿生、微结构化和智能化角度，通过微结构设计和光谱特性调控，提高光、热调控性能，支撑国家重

智能光热调控

光热调控AI+

仿生超构光谱调控

柔性多功能材料与器件

智能光热调控

光热调控材料种类多样、其组成和结构共同决定材料宏观光学属性，内涵丰富并无限变化，具有广泛的多样性和可设计性。现有的研发模式无法满足高端装备的多品种、小批量、个性化和快速研制的需求，其性能潜力尚未得到充分发挥。团队依据数据驱动计算理论、结合人工网络、弱监督学习和数据回归分析模型，优化微纳结构设计，提高研发效率，提升高性能光热调控材料的研发能力。

电致变色材料与器件

电致变色是指材料在电场作用下发生氧化还原反应而引起的透过率、吸收率或反射率等光学属性稳定且可逆的变化。团队针对可见-近红外-中远红外波段的光谱动态调控重开展无机全固态电致变色器件、有机柔性电致变色器件及固态电解质方面的研究，，着在航天、新能源、汽车及消费电子领域具有广泛应用前景。

热致变色材料与器件

基于VO2金属-绝缘体相变特性，开展无源自适应光谱调控技术研究，实现从可见光到微波波段的超宽波段动态光谱调控，应用于航天、国防和双碳等国家重大战略领域，研究成果发表在Advanced Materials和Light Science & Application 等顶级期刊上。

智能光热调控
仿生超构光谱调控
光热调控AI+
柔性多功能材料与器件

VO2薄膜高反；在常温下红外高透，高温呈红外高反金属基底材料上可以实现智能热控

利用红外波段光学特性快速突变的特点，作为3-5μm和8-14μm波段红外探测器的激光防护材料相变前后在近红外波段其透过性能会发生突变，而在可见波段几乎不变，能够用于智能窗

相变前后红外波段光学特性变化，在高发射基底材料上可以实现红外隐身的目的相变前后电学特性的变化，通过调控电导率引起电磁波传输特性的变化

智能光热调控- 电致变色材料与器件

1、无机全固态器件

设计并采用磁控溅射和电子束蒸镀技术制备具有四层（ITO/Li-NiO/Li-WO3/ITO）和五层（ITO/NiO/Ta2O5/WO3/ITO）互补结构的无机全固态电致变色器件，攻克了各膜层之间化学稳定性、匹配性、结合力和制备工艺兼容性等难题，实现纯氩/微氧等气氛下高质量WO3和NiO等薄膜的快速沉积以及微结构与性能的调控。器件在可见波段具有较大的光学调制范围、响应时间短、着色效率高。通过理论计算和实验研究了变色层 WO3和离子储存层NiO的晶化程度、元素掺杂对性能的影响，建立材料组分结构和电致变色性能之间的构效关系，实现对器件褪色态透过率、电荷容量及电致变色综合性能的提升（Mater. Lett., 2020, 265: 127464; Electrochim. Acta, 2021, 367: 137457; Nano Res. 2023: 1-11, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2022, 237, 111564）

由于材料的电致变色机理所限，通常的电致变色器件在可见-红外波段的调制同步，不能进行选择性调控，限制其应用。针对此问题，团队开展了深入研究。采用电子束蒸发法在低氧气氛下在非晶态a-WO3-x‒OV薄膜中引入氧空位。DFT计算和实验结果表明，氧空位的引入不仅可使WO3薄膜通过LSPR效应选择调控近红外波段透过率，还可促进Li+在薄膜中的吸附和扩散，从而获得优异的电致变色性能。基于a-WO3-x-OV薄膜构建的固态电致变色智能窗，具有超快的响应速度（tb/tc = 4.6/5.2 s）和良好的循环稳定性，且实现了可见和近红外波段的选择性调控。器件呈现亮、冷和暗三种模式：在“亮 ”模式下，可见和近红外波段光波高透过，适于冬季采光和建筑升温；“冷”模式下器件可阻挡68.6%的近红外太阳辐射，减少建筑物太阳热增益，同时保持57.6%的可见透光用于室内采光；“暗”模式下可阻挡96.3%的可见光和太阳辐射，有利于建筑节能，相关论文发表于Mater. Horiz., 2023,10, 2191

2、多波段智能光热调控器件

团队研制兼具多色彩和红外辐射可调的无机全固态电致变色器件，实现了可见和中远红外波段光谱调控的解耦。构建了具有法布里-珀罗腔谐振腔结构的ITO/NiO/- Ta2O5/Li/WO3/ITO/Ge/HfO2电致变色器件，器件展现出红外发射率的动态调节能力，且在可见波段具有宽色域分布，解决了传统电致变色器件红外发射率和颜色在电场作用下同时变化的难题，实现了可见-红外兼容的光谱调控，研究成果发表于Laser & Photonics Rev., 2023, 17, 12。进一步设计和研制了一种具有全新结构的可见透明，且红外辐射可调ITO/SiO2/ITO无机全固态电致变色器件。在此基础上构筑电致变色智能窗（ITO/SiO2/ITO/Glass/ ITO/NiO/SiO2/Li/WO3/ITO），实现了选择性调节太阳辐照透过率（ΔT'Sol = 0.4）和红外发射率（Δε2.5-25μm为0.45）的能力，并可提供 "亮"、"暗"、 "暖 "和 "冷 "四种模式，适用于不同气候区域，为节能舒适的建筑智能窗提供了新的解决方案（Adv. Funct. Mater. , 2023, 2307356）

团队研制兼具多色彩和红外辐射可调的柔性电致变色器件，构建了具有三明治结构的聚苯胺基电致变色器件，表现出红外/可见兼容的光谱调控能力，实现了可见和中远红外波段光谱调控的解耦，在智能多色显示、防伪、光学安全等领域具有重要应用，研究成果发表于Adv. Optical. Mater. 2023, 11, 3201065.

3、柔性电致变发射率器件

团队通过将Au与聚苯胺复合，制备了微纳结构PANI/Au复合薄膜，在8-14 μm波段发射率调控幅度可达0.4。进一步研究和设计了铈离子掺杂的聚苯胺薄膜，器件在8-14 μm 波段发射率调控幅度可达0.58，同时表现出良好的循环稳定性、柔性和响应速度，研究成果发表于Electrochimica Acta 390 (2021) 138891，Chemical Engineering Jour-nal 445(2022) 136819。此外，团队研究发现，聚苯胺薄膜的形貌对其光谱调控性能也有重要影响，通过在电沉积过程中添加聚合物添加剂能够诱导聚苯胺的均匀生长， PANI薄膜可实现在2.5-25 μm波段0.45的发射率调控幅度，器件具有优异的循环稳定性(Chemical Engineering Journal 475 (2023)145927)。

基于变色龙皮肤感受器的仿生伪装设计原理，制备铈离子定向诱导生长的突触化聚苯胺薄膜，铈离子的诱导催化作用改善了聚苯胺的刚性分子链共轭结构，使聚苯胺薄膜红外调控能力得到显著提升。基于该薄膜，设计制备了一体化柔性电子皮肤器件，室温下该器件可调节的人体温度可达5.7℃。(Chemical Engineering Journal, 2022, 445, 136819)

针对未来可穿戴辐射可调器件，设计碳纤维和聚苯胺新型核壳一体结构的纤维型动态热辐射调控器件。该器件在7.5 ~ 14 μm波段可实现动态热辐射调节，红外发射率高达 0.4。器件可以在深绿色和金黄色之间可逆变化，响应时间1.7 s，且具有优异的循环稳定性)。受紫藤结构可有效对抗恶劣天气条件对藤茎损害启发，设计具有生物藤茎结构的可穿戴多波段光谱调控光纤型器件。该器件以碳纤维和聚苯胺为活性层，聚苯胺薄膜螺旋缠绕在碳纤维电极。器件在8-14 μm范围内具有优异的红外发射率调控能力(△ ε = 0.528)，快速的响应时间(2.44 s)，优异的循环稳定性(＞5000次)和机械稳定性(＞ 5000次弯曲循环)。纤维型柔性热辐射调控器件在个人热管理、自适应热伪装和智能可穿戴设备中具有广泛的应用前景 (Solar Energy Materials and Solar Cells, 2022, 245 111855 ；2024, 266,112686)

4、电致变发射率-电磁屏蔽多功能柔性器件

团队研制兼具红外发射率调控和电磁屏蔽双功能的聚苯胺电致变色器件，在8-14波段实现0.43的发射率调控幅度和16.1 dB的EMI屏蔽效率，器件表现出优异的循环稳定性；进一步采用喷涂法制备了聚苯胺层，在X波段实现36.3的电磁屏蔽效率，同时兼具红外发射率调控能力，有望应用于热管理、防伪和EMI屏蔽相关领域。相关成果发表在Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2101381；ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14

基于PANI/Au/SEBS-PCL为电极制备具有热辐射和电磁屏蔽双重动态调控性能的自愈合型电致变色器件。该器件不仅在8-14 μm处能够实现红外发射率的动态调控，调控幅度达到0.37，且在应变作用下的红外发射率调控达到0.43，EMI SE变化为16.1dB。同时，该器件还表现出优异的自愈性能，在红外伪装和电磁保护等领域具有重要应用前景(Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2101381)。

5、可逆金属沉积电致变色器件

可逆金属沉积是利用金属离子的氧化/还原反应，在电极表面发生溶解/沉积过程，从而实现器件褪色/着色过程。团队利用贵金属金、银等作为研究对象，在贵金属离子溶解/沉积过程中，控制生长纳米颗粒的尺寸及间距，利用贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振性质，实现了在可见波段光谱连续调控。团队设计开发具有透过态、反射态、吸收态的电致变色器件。通过设计不同的沉积路径及沉积过程，实现了多种模态的电致变色器件。透过率调节可达��%，反射率调节可达��%。器件适用环境温度可在-�� ℃~��℃。器件将望在低能耗显示器，多色智能窗及光电器件等领域有广阔的应用。

智能光热调控- 热致变色材料与器件

1、智能热控涂层

针对航天器新一代热控需求，设计VO2超表面（2024Research, 2021, 2021. ），探索红外辐射特性调控内在机理（ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16, 8, 10352‒10360. Laser & Photonics Reviews, 2023, 17(4): 2200653.Laser & Photon ics Reviews, 2022: 2200383.Next Energy, 2023, 1(4): 100064. . Materials Chemis - - try and Physics, 2021, 259: 124042. ），采用高能脉冲磁控溅射技术制备VO2智能热控涂层（ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(2): 2683-2690. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 858: 158337.），研究其红外发射率动态变化规律，构建新型智能热控涂层，研发的VO2智能热控涂层红外发射率调控幅度可达0.5 （2.5-25 μm），具备低温保温高温散热功能（ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(12): 14313-14320. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2021, 229: 111140），入选天问二号探测器关键热控技术。

2、电磁波动态调控材料

3、智能窗

仿生超构光谱调控

自然界中的生物经过亿万年的进化，展现出很多优异性能，如撒哈拉沙漠的银蚁能在炎热的沙漠中存活、澳大利亚的巨瘤角天牛能在高温火山坑中生存及叶蝉的具有优异可见光隐身、翠鸟和蝴蝶等具有鲜艳的颜色等等，这是生物体表面独特的微纳结构与光波相互作用的结果。团队基于仿生思路，通过设计和构筑微纳结构，探索材料光热调控的新特性和新机制，构建微纳结构光热调控新理论，提高材料的光热调控性能。

电磁波动态调控

巨瘤角天牛表面微米绒毛

蝴蝶表面结构和颜色

金龟子表面结构和颜色

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仿生超构光谱调控
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柔性多功能材料与器件

仿生超构光谱调控

1、辐射制冷涂层

辐射制冷是应对能源危机和环境挑战的零能耗却技术，可助力实现 “碳达峰、碳中和” 的颠覆性科技。团队致力于开发新型微纳结构辐射制冷材料来提高能效和环境可持续性，并将辐射制冷材料与现有的制冷技术结合，探索如何在实际应用中实现最佳冷却效果。
二氧化硅 SiO2因其对太阳波长 (0.25-2.5 µm) 的吸收率较低且具有出色的稳定性而成为辐射冷却应用的重要候选材料。通过研究发现SiO2微柱阵列可有效抑制8-13 μm 的红外反射，优化微柱阵列结构可以提高其红外发射率。揭示了一种修改耐用 SiO2层热管理特性的有效策略，可用于冷却 OSR 和其他类似的面向天空的设备；通过自组装方法和反应离子蚀刻，构筑一种具有宽带彩虹色的微锥阵列SiO2辐射冷却器。在阳光直射下，平均温度可降7.1°C，提高了日间辐射冷却器的美观性和冷却能力(Journal of Heat and Mass Transfer, 2024, 220125004; Small, 2022.2202400 )

聚合物材料因其低成本、易加工性、集高反射与高红外发射率一体化的特性逐渐成为辐射制冷领域的热点材料。追求可持续发展的大背景下，被动辐射冷却技术显示出巨大的潜力。团队通过静电纺丝技术开发了一种热塑性聚氨酯纳米纤维膜，可以通过简单的机械拉伸实现光学反射率的梯度调控，从而实现辐射冷却和太阳光加热之间切换。聚合物材料在长时间紫外线照射下易发生老化，影响其机械性能及辐射冷却效果。为解决这一问题，团队采用同轴电纺技术制备了一种新型 BST @ T P U 膜，该膜以 Ba0.6Sr0.4TiO3纳米棒（BST NRs）为芯层，以热塑性聚氨酯（TPU）为壳层。借助BST 纳米棒的紫外线吸收和自由基吸附特性，显著提高TPU膜的紫外线稳定性。此外，高折射率的BST纳米棒补偿了由于紫外线吸收导致的反射率下降，将TPU膜的使用寿命有效延长了三倍（Chemical Engineering Journal 461,2023, 142095; Advanced Func tional Materials, 2024, 2315315）

2、光子晶体超材料

光子晶体是指具有光子带隙特性的人工周期性电介质结构，自然界中如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛、金龟子外壳绚丽的颜色就是由于其光子晶体结构产生的结果色。团队致力于光子晶体超构材料的构筑性能方面的研究。针对传统光子晶体传感器难以检测分子尺寸和同系物的难题，设计一种MOF光子晶体，利用MOF孔的分子尺寸选择性和MOF孔道的化学环境与分子作用关系，通过研究光子晶体的峰位移动及恢复时间实现分子尺寸的选择性检测。ACS Materials Lett. ��, �, �, ��-��; Chemical Engineering Journal, ��, ��, ��-��; Materials Horizons, ��, ��-��; Applied Surface Science, ��, ��, ��-��.

针对光子晶体的结构色可调控，同时反射峰宽与周期折射率相关，设计了一种半缝宽为8 nm的窄带光子晶体滤光片和利用特殊光学性能防伪; Advanced Optical Materi als, 2022, 10, 2101268; Particle and Particle Systems Characterization, 2020, 1900495(1-8)

3、抗反射超构表面

团队借鉴仿生思路，针对高精度成像系统抑制杂散光的需要，基于蝴蝶翅膀黑色鳞片的微纳结构，通过构筑二级结构在宽波段内获得了极低的反射率，利用空心碳球的封闭结构解决了低密度碳材料低反射率和高力学性能的矛盾；采用多种微纳结构制备和加工技术，构筑具有超高吸收微纳结构抗反射涂层。涂层有超高吸收率和良好的结合力，且可凝有机挥发物为零，在风云卫星光学元器件中具有重要应用。

光热调控AI+

深度学习作为人工智能的子集，已在各领域逐渐成为一种强大的设计工具。光热调控超材料设计因其复杂的结构参数和高度非线性的物理模型而具有挑战性。在这种背景下，深度学习日益展现出其在加速正向模拟和支持逆向设计方面的强大能力。团队利用长期积累的工程数据集训练智能体，大幅缩短了光谱模拟的速度，提升了三个数量级以上。针对具体材料体系优化膜系结构，实现了智能热控器件发射率的极致调控，同时兼顾了工艺稳定性和薄膜尺寸效应。研究为在工程数据科学中灵活地引入物理启发和人工经验、使用残缺和单一特征的数据训练深度神经网络解决实际问题提供了一个范例（Next Energy, 2023.100046）

智能光热调控材料可以实现光谱的动态可调变化，在显示，热控、柔性可穿戴、消费电子等领域具有潜在应用。然而目前由于稳定性、响应时间、调控幅度等性能有待于进一步提高，以满足实际应用需求。针对此团队引入数据驱动的研究范式，预测和优化材料的光谱调控性能，实现高效的材料设计和性能发掘。

目前辐射制冷超构光热调控材料的研究大多集中在解析冷却机制本身，对于材料性能对参数变化的敏感性研究相对有限。传统数值模拟方法不仅成本高、耗时长，而且在寻找最优化解决方案方面面临诸多挑战，这些因素共同制约了高效微观结构设计的发展。为克服这些限制，团队引入了机器学习技术，特别是深度学习模型，优化和设计以 SiO�为基材的仿生光子结构，深入探究仿生超构材料与其光谱响应之间的复杂关系，并成功实现了高达0.985的红外发射率（ACS Mate rials Lett. 2024, 6, 6, 2416-242）

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柔性多功能材料与器件

柔性多功能材料与器件

围绕新能源材料与器件等新兴领域对柔性及可穿戴等材料轻型化、微型化、功能集成化的发展需要，重点开展能量储存与转换等多功能集成的柔性多功能材料和器件的研究。

纤维状超级电容器在可穿戴电子织物领域具有巨大的应用前景。传统纤维电极由于缺乏有效的内部交联和高速的离子传输通道，导致其柔性和电化学性能受限。研究团队通过液晶化湿法纺丝组装技术，开发出由Ti3C2Tx MXene纳米片组成的连续高度定向的宏观纤维电极材料，成功克服了这些限制。通过MXene片表面铝氧阴离子基团的静电相互作用，强化了纤维的内部界面交联，同时调控了纤维内部的片层组装结构。

这种创新性的结构设计使得MXene纤维展现出高电子电导、机械拉伸强度和赝电容储能性能。研究结果显示，采用这种MXene纤维制成的超级电容器能量密度可达77.6 mWh cm－3，并且具有优异的柔韧性和稳定性。这意味着该纤维超级电容器可以轻松集成到商业纺织品中，为LED、电子表等微型设备供电。这种高性能纤维状超级电容器的成功研发，不仅为可穿戴电子织物的发展提供了新的解决方案，也为未来的智能服装和便携式电子设备的设计和应用开辟了新的可能性 (ACS Nano, 2023, 17, 2487)。

Mxene纤维及其组装柔性超级电容器

设计纳米钼酸钴材料与其他氧化物杂化构筑核壳结构的复合材料，通过两者协同效应实现了电极材料的电化学性能的显著提升；利用3D 打印技术制造的柔性全光纤锂离子电池（LIB），具有高比容量和良好的柔韧性，有望集成到纺织织物中，用于未来的可穿戴电子设备中。

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