气凝胶是最有前途的隔热材料之一，是指一类纳米多孔材料，其中湿凝胶中的液体被空气取代，原有的三维交联网络保持不变，收缩有限。其独特的结构赋予气凝胶高比表面积、极高孔隙率、超低密度、低导热性等显着特性，使得气凝胶在气凝胶领域得到普遍应用。其中，二氧化硅气凝胶(SA)是最具吸引力的气凝胶，其骨架是由二氧化硅纳米粒子组成的网络结构。然而，当二氧化硅气凝胶用于热管理时，隔热始终是唯一的考虑因素。

  在此,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王锦&李清文等人揭示了在不同环境中具有被动隔热、被动加热或被动冷却（PRC）的二氧化硅气凝胶的按需热管理(ODTM)。二氧化硅气凝胶的 ODTM行为能通过它们的光学特性变化(例如太阳光透明度和红外发射率)简单地实现，这些变化能够最终靠构建块的微观结构和表面组成设计来控制。传统的透明二氧化硅气凝胶实现了白天比环境温度高25 °C的强劲太阳能加热和夜间7 °C的低于环境温度的冷却。通过改变其太阳能透射率和红外发射率，可以实现白天低于环境温度 5°C 和寒冷夜晚较暖的状态。指导全面了解二氧化硅气凝胶的热管理行为，并通过调整二氧化硅气凝胶的光学和导热性能导致二氧化硅气凝胶的ODTM应用。该研究以题为“Optical Design of Silica Aerogels for On-Demand Thermal Management”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

  二氧化硅气凝胶是以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前体合成的，是研究最广泛的二氧化硅气凝胶，平均导热系数为0.0269 W m −1 K −1。厚度为3mm的二氧化硅气凝胶可以承受≈650℃酒精灯的灼烧，使气凝胶上方的花朵保持新鲜。二氧化硅气凝胶的表面温度可在1200 s(20 min)内保持稳定，表现出优异的隔热性能。

  二氧化硅气凝胶除了在高温下具有良好的隔热性能外，在低温下也表现出优异的隔热保温性能；其原因可归因于其极低的导热系数。当外界很热时，二氧化硅气凝胶可以阻挡外部热量的进入，从而确保内部温度低；当外界寒冷时，二氧化硅气凝胶可确保内部热量不易散失到外部，从而使内部保持温暖状态。

  基于传统认知，二氧化硅气凝胶用于建筑保温时，起到隔热层的作用，可以将大部分外部热量阻隔在室内，从而保证凉爽的室温；当外界温度较低时，二氧化硅气凝胶起到保温作用，减少室内外的热交换，使房屋保持温暖。然而，室外测试显示出相反的结果。在室外样板房实验中，二氧化硅气凝胶作为隔热屋顶(样板房的周边和底部覆盖有厚隔热泡沫，以最大限度地减少热量损失)。环境温度在30至35 °C的夏日逐渐升高。中午最大太阳辐照度达到740 W m −2。房间迅速加热至60 °C，比环境温度高25 °C，证实了强大的太阳能加热行为。夜间室温(≈−5 °C)比环境温度(∼2 °C)低7 °C。控制室(没有 SA)没有表现出如此强大的冷却能力，这表明二氧化硅气凝胶具有强大的PRC行为。

  热管理行为的原因是太阳能加热和辐射冷却性能的强大影响优于其在室外环境中的导热性能。当二氧化硅气凝胶用于室外环境时，其热管理行为不再仅由其低导热性决定。由于二氧化硅气凝胶具有高UV-vis-NIR透明度，太阳能可以穿过二氧化硅气凝胶，加热内部空间，同时二氧化硅气凝胶由于其低导热性而保存热量，导致内部温度高得多类似于温室效应。这就是为什么白天屋内的温度要高得多的原因。在夜间，二氧化硅气凝胶强大的被动辐射冷却导致温度低于环境温度，从而导致内部温度低于外部的矛盾现象的出现。鉴于上述相互作用对冷却的影响提出了二氧化硅气凝胶在室外使用的机制：除了低热传导和对流外，还应考虑强大的太阳辐射加热和辐射冷却，以全面了解二氧化硅气凝胶的热管理行为。因此，ODTM能够最终靠改变它们的光学特性来实现，包括UV-vis-NIR透明度和IR发射率。

  二氧化硅气凝胶的热管理行为可以通过抑制二氧化硅气凝胶的太阳加热和被动辐射冷却能力来获得在炎热的白天冷却和在寒冷的夜晚变暖的结果。因此，通过酸碱两步法调整MTMS、尿素和十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)的比例，合成了具有不同透明度(透明和不透明)的二氧化硅气凝胶。透明和白色二氧化硅气凝胶由直径分别为27 .8 ± 4.6 nm和44.6 ± 5.2 nm的球形构件构成。从映射图中也可以看出，透明和白色二氧化硅气凝胶均呈现均匀的元素分布，证明了合成的合理性和可行性。

  为了进一步提高二氧化硅气凝胶的反射率，在透明二氧化硅气凝胶的表面添加具有高太阳光反射率的金属层(例如银和铝层)：在透明二氧化硅气凝胶的表面附着致密的纳米银膜(SA-Ag)通过真空蒸镀，在高透明二氧化硅气凝胶(SA-Al)表面紧密附着一层铝膜。由于透明和白色二氧化硅气凝胶的化学结构几乎相同，红外发射率几乎相同。因此，Ag和Al层的引入可能会改变二氧化硅气凝胶的红外发射率，降低被动冷却性能并在寒冷的夜晚实现隔热(保暖)。透明和白色二氧化硅气凝胶的发射率分别达到0.813和0.794，远高于SA-Ag (0.28)和SA-Al (0.11)。

  气体中的热传递使二氧化硅气凝胶有可能实现比环境和温度下的自由空气 (0.025 W m −1 K −1) 更低的总热导率。硅烷化过程使干燥的二氧化硅气凝胶具有疏水性。透明和白色二氧化硅气凝胶均具有良好的疏水性。两者的水接触角在130~140°之间。

  在晴天(最大太阳辐照度高达650 W m −2)和夜间的户外测试了具有不同透光率和红外发射率的二氧化硅气凝胶的热管理行为。结果表明，在环境和温度超过35 °C的白天，白色二氧化硅气凝胶与透明气凝胶相比显着降低了10 °C，这表明二氧化硅气凝胶的不同透光率可以显着降低减少太阳能加热的影响。然而，在夜间获得了8°C的显着低于环境和温度的冷却，并且即使它们具有低导热率(0.025 W m -1 K -1)，它们也没有显示出任何隔热能力。两种二氧化硅气凝胶的温度整夜几乎重叠，这可能是由于大气透明度窗口中的0.813和0.794几乎相同的发射率。结果表明，不同透明度的二氧化硅气凝胶由于其高太阳能透射率和高红外发射率而没有达到白天凉爽和夜间温暖的目标效果。

  因此，该研究设计了金属层-二氧化硅的双层结构从降低红外发射率和进一步增加太阳反射率的角度来看，气凝胶层。为了减少块体材料的影响，使用了三个相同直径(7 cm)和厚度(4 mm)的透明二氧化硅气凝胶并包裹在隔热泡沫中，仅通过涂覆Ag来改变表面反射率和发射率膜或用铝膜覆盖。最大太阳辐照度为 730 W m -2，下午6点30分降至0。SA-Al白天温度最低(比同期SA和SA-Ag低10℃)，夜间温度是三个样品中最高的，表明调整气凝胶的反射率和发射率是抑制太阳能加热和被动辐射冷却影响的有效策略。

  该研究通过考虑导热性和光学特性证明了二氧化硅气凝胶的ODTM、可定制的被动隔热、太阳能加热和PRC。在室外测试中，由于二氧化硅气凝胶的高透明度，白天太阳加热的强烈影响可以使空间比环境和温度高25 °C，而辐射冷却使二氧化硅气凝胶在白天冷却7 °C。夜晚。因此，提出了抑制太阳能加热和PRC影响的策略：调节气凝胶的透光率以降低白天的太阳能加热效应，并降低二氧化硅气凝胶的红外发射率以消除夜间PRC的影响。因此，通过改变分子结构和双层结构(金属层-二氧化硅气凝胶)的构建，设计和制造了具有不一样透明度的气凝胶。二氧化硅气凝胶的室外测试表明，覆盖有高太阳光反射率铝膜Al-SA与二氧化硅气凝胶相比，温度降低了40°C，达到了白天降温和夜间升温的目的，有望为高温环境下的降温调控和寒冷条件下的保暖提供研究思路。

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