智能光/电/热材料：解锁“万物感知”新可能
关键词： 智能光 / 电 / 热材料，双碳目标，跨尺度仿真，应用创新，发展趋势
科技日报记者宗诗涵
穿上薄薄“智能温控外衣”的航天器可应对极端多变的空间环境，使用无源降温超材料织物制作的警用制服能够降低皮肤温度约5℃，模仿北极熊毛发结构制备的超保暖人造纤维材料有望让人类告别笨重的羽绒服……在全球新一轮科技革命与“双碳”目标驱动下，智能光/电/热材料正成为突破能源发展瓶颈的关键。
为探讨智能光/电/热材料的低维化、柔性化与智能化发展路线，日前，40余位专家学者汇聚北京香山，共同参加主题为“变革性智能光/电/热功能材料关键科学技术问题”的第Y11次香山科学会议。该会议由中国科学院上海硅酸盐研究所申办。
赋予材料“生命”
数据显示，全球二氧化碳排放量从2020年的320亿吨激增至2024年的416亿吨。2024年，我国能源消费总量达59.6亿吨标准煤，其中煤炭消费量占能源消费总量比重仍超53%，凸显“双碳”目标的紧迫性。
“在能源危机和‘双碳’目标大背景下，能源技术的底层创新成为破局关键，而智能光/电/热材料凭借其动态响应与精准调控能力，成为突破能效瓶颈的核心引擎。”会议执行主席、中国科学院上海硅酸盐研究所研究员曹逊说。
光、电、热是能量的不同体现形式，三者之间可以相互转换。“如何综合研究三者之间的能量转换关系，以高效利用能量实现绿色发展目标，是当前材料领域非常重要的研究方向。”曹逊说。
智能光/电/热材料与其他材料的不同，在于其智能性。电子科技大学副教授王东升说，智能意味着赋予光/电/热材料以“生命”，让智能光/电/热材料能够自发感知环境。北京科技大学材料科学与工程学院教授张铮提出，生命的智能在于突变，智能光/电/热材料的智能也在于突变，既适应环境的变化，也改变环境，让环境更容易接受材料。
在曹逊看来，智能光/电/热材料的智能体现在具有多功能性和良好调控性能，既能实现从微观到宏观的跨尺度响应，也能在光、热、电传导之间实现跨时域调控。“从零能耗建筑的温控幕墙到深空探测器的自适应热管理，智能光/电/热材料将成为绿色未来的基石。”曹逊说。
面临多重挑战
要让智能光/电/热材料能够感知环境并作出响应，智能传感与动态感知技术的发展必不可少。
现有传感器因材料或结构的固有缺陷，以及多物理场耦合能力的不足，存在灵敏度受限、响应速度不足、环境适应性差等问题。“通过精准调控材料微结构及电子态，可提升载流子迁移率，增强智能光/电/热材料动态响应与灵敏度，从而突破高精度传感技术瓶颈，为更好实现光热调控功能奠定基础。”曹逊介绍。
同时，跨尺度仿真技术是实现材料性能精准预测的关键。然而，微观机理难以预测宏观非线性行为，跨尺度仿真面临效率与精度的双重挑战。“如何实现材料性能从电子结构到宏观行为的跨尺度调控，揭示并优化其多物理场响应机制，是当前材料科学领域面临的重要挑战。”吉林大学材料科学与工程学院教授张立军说。
此外，传统光热调控受制于静态材料性能单一、动态材料响应迟滞、光热电耦合损耗以及热流不可控等问题，导致能量利用率低下与系统失稳风险上升。“在能源高效利用及电子器件高度集成的迫切需求下，材料的热能转换及管理是相关技术提升的关键。”会议执行主席、同济大学材料科学与工程学院教授裴艳中说，基于半导体效应的热电发电与制冷是行之有效的手段，但其基础和应用研究均面临力、热、电、磁等诸多方面挑战。
极端环境下的材料稳定性是另一关键难题。以太空智能辐射器件为例，其在原子氧侵蚀、紫外辐照及热循环耦合作用下，使用寿命会急剧缩短，这要求材料设计兼顾原子级晶格稳定性与宏观机械鲁棒性。
催生应用创新
尽管智能光/电/热材料发展面临多重挑战，但其技术突破已催生跨领域应用创新，展现出巨大发展潜力。
清华大学材料学院教授沈洋团队设计并制备的新型柔软压电复合材料，通过构筑压电陶瓷在聚合物基体内的三维联通网络，破解了弹性模量失配问题，实现了应力的有效传递。此类新型材料在高灵敏度可共形水听器、智能传感驱动器等领域展现出广阔应用前景。
在全球气候变暖加剧、极端高温事件频发的背景下，会议执行主席、华中师范大学教授陶光明的团队聚焦无源降温超材料织物与涂料的研发，致力于通过光热精准调控技术应对全球变暖挑战，为人体热管理、建筑和地球环境降温提供创新解决方案。
“在个人热管理方面，使用无源降温超材料织物制作的降温背心使体表最大温差达4.1℃，为高温作业人员与特种行业从业者提供舒适安全保障；在汽车领域，无源降温超材料织物的应用可使车内温度降低约12℃，减少空调能耗并延长续航里程；在建筑领域，该材料涂料涂装后的样板房表面最高可降温21.8℃，室内日间最高可降温约9.7℃到11.1℃，显著降低空调使用频率与建筑能耗。”陶光明介绍。
吉林大学电子科学与工程学院教授白雪团队重点关注稀土这一国家战略资源，其研制的稀土光电材料在信息存储与加密、信号传输与放大、高清显示与智慧照明等光电信息领域展现出显著优势。
在曹逊看来，未来10年，智能光/电/热材料的发展将呈现三大趋势。其一是AI驱动的材料基因工程。基于千万量级的材料数据库与强化学习算法，逆向设计将大幅缩短研发周期。其二是原子制造与跨尺度集成。借助分子束外延与原位监测技术，原子级平整的异质界面得以实现，将支撑量子芯片与拓扑光子器件取得突破。其三是多学科共生与生态重构。零碳建筑、深空探测等重大场景需光、电、热、机多模态协同，倒逼材料与系统设计的范式革命。
“材料变革的本质，是打破材料科学与工程应用的学科壁垒，走向‘万物感知—自主调控—环境共生’的新纪元。”曹逊说，未来，材料不再仅是功能的载体，更是智能生态的建构者。
责任编辑：骆香茹
