重磅综述！仿生光子材料电子散热、红外伪装一步到位
来源 | Chemical Society Reviews
链接 | https://doi.org/10.1039/D5CS00471C
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背景介绍
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成果掠影
近日，由德州大学奥斯汀分校团队与上海交通大学团队系统总结了仿生光子材料用于热管理的核心概念、生物机制与技术进展，并提出未来方向。将温度保持在合适的范围内对于人类活动至关重要，而热管理是致力于实现这一目标的科学。从光学的角度来看，热管理需要在广泛的太阳和热光谱上具有多种响应的工程光子材料来执行复杂的功能，包括冷却、加热、能量转换、伪装和热流的动态控制，其中许多功能在可再生能源研究中非常理想。这些应用的复杂光谱要求给材料设计带来了根本性挑战。虽然计算方法的进步带来了许多技术突破，但从生物系统中汲取灵感的并行路线也取得了令人瞩目的进展。在自然选择无与伦比的力量的指导下，仿生方法促进了具有复杂分层架构的高性能仿生材料的开发。研究成果 “Bioinspired photonic materials for advanced thermal management”为题发表在《Chemical Society Reviews》。
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图文导读
图1. 不同热管理场景的光谱需求。 图2. 生物模型的结构 - 机制提取框架。 图3. 静态热管理的生物多层结构与全反射机制。 图4. 多重散射驱动的生物白色结构。 图5. 为生物静态系统中的颜色混合结构。 图6. 为生物静态系统的梯度折射率机制与无序结构。 图7. 为生物静态系统的多重散射机制：(a) 展示了入射光在微结构内的多重反射示意图；(b)-(c) 呈现了极乐鸟超黑羽毛的多重散射特性，其中 (b) 为超黑羽毛的球形管状阵列 SEM 图像（比例尺：50 μm），(c) 利用 FRED 软件包模拟验证了单束光在超黑羽毛球形管状结构间的多重散射过程；(d) 为分布广泛且形态多样的超黑蝴蝶鳞片 SEM 图像（比例尺：1 μm）。 图8. 展示了甲虫（a）、（b）与蝴蝶（c）-（g）体内的天然光子晶体（PhCs）以及真虾类（h）、（i）的生物玻璃：（a）上图为新热带区帝王象甲（Entimus imperialis）鞘翅表面鳞片的显微镜图像，左下 / 右下图为绿 / 黄色区域三维光子晶体的扫描电子显微镜（SEM）图像；（b）为（a）中该象甲鳞片着色区域（实线）与无色区域（虚线）的计算光子能带结构；（c）-（e）为蝴蝶翅鳞片中的三维螺旋光子晶体，（c）为格氏彩灰蝶（Callophrys gryneus）腹面翅鳞片的光学显微镜图像（比例尺：100 μm），（d）为该蝴蝶蛹期翅鳞片细胞的 TEM 图像（比例尺：1 μm），显示呈三角晶格排列的同心环，（e）为翅鳞片细胞发育过程的单胞模型（从左至右依次为：核壳双螺旋结构、核壳单螺旋结构、几丁质单螺旋网络）；（f）为大蓝闪蝶（Morpho didius）翅上表面图像，（g）为其上表面总反射率（曲线 A）与下表面总反射率（曲线 B）的对比图；（h）为真虾类蚤状幼体的偏振光学显微镜图像（插图：眼部放大图），（i）为蓝色反射细胞的冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）图像（平均粒径：约 247 nm）。 图9. 展示了蝉类（a）-（d）与蝴蝶（e）-（h）的辐射冷却生物实例：（a）为黑蚱蝉（Cryptotympana atrata）雌虫的照片（左图、中图）及其单个金色微刺的图像（右图）；（b）为（a）中微刺的扫描电子显微镜（左图）和透射电子显微镜（右图）图像；（c）为截面具有多孔心形内部结构的微刺示意图，以及此类孔隙对可见光的米氏散射如何提升微刺背散射效率的作用机制；（d）为有毛区域（红色曲线）与无毛区域（蓝色曲线）在可见 - 近红外（vis-NIR）和中红外（MIR）区域的实测反射光谱对比；（e）为桦尺蛾（Bistonina biston）雄虫的照片，其前翅背面呈现四种颜色，分别对应四种类型的翅鳞片（比例尺：5 mm）；（f）、（g）分别为该桦尺蛾前翅不同区域的太阳吸收率光谱（f）和热发射率光谱（g），数据分别叠加于归一化太阳光谱和 40℃黑体的归一化热辐射光谱之上；（h）为蝴蝶位移响应触发温度的箱线图，对比了 6 科 50 个物种的相关数据。 图10. 展示了生物动态系统的结构与机制。 图11.展示了生物启发的辐射冷却材料。 图12. 展示了生物启发的太阳能收集光子材料。 图13. 展示了生物启发光子材料在多种热管理应用中的实例。 图14. 展示了生物启发的智能热控材料。 图15. 展示了生物启发的自适应红外伪装材料。 图16. 为生物启发热管理材料的总结与展望。
