颠覆性超材料，登上Science！

研究背景

全球建筑消耗了全球发电能源的约40%。由于建筑围护结构通常缺乏被动维持室内舒适温度的能力，大量的能量被浪费在供暖和制冷上。尽管窗户仅占建筑围护结构面积的约8%（高端住宅中可达30%），但它们却导致了约50%的热量传递。

关键问题

目前，透明隔热领域主要存在以下问题：

1、规模化与成本挑战

现有方法，如透明纤维素或二氧化硅气凝胶和真空隔热玻璃，在扩大部署时仍面临规模限制、密封完整性问题和高昂的制造成本等挑战。

2、光学性能不足

传统气凝胶的孔径尺寸分散度高（从纳米到数十微米），导致外观模糊，难以满足窗户应用所需的严格光学要求。为了实现高光学透明度和低热导率，材料的孔径必须远小于光波长和环境条件下空气分子的平均自由程（约 60 nm）。

新思路

有鉴于此，科罗拉多大学Ivan I. Smalyukh等人描述了由中孔管的三维空间图制成的柔性平方米大小薄膜和多厘米厚板材的制造，这些材料的所有结构特征都在50纳米以下。一种基于溶液的动力学制造过程以生长的圆柱形表面活性剂胶束网络为模板，形成聚硅氧烷凝胶网络的薄管，并在用空气替换表面活性剂和溶剂后，得到重量轻的材料，其可见光范围光学透明度大于 99%，导热系数约为10 毫瓦/开尔文/米。这种预先设计的超材料能够为墙体级隔热玻璃单元、平方米窗户改造和非聚焦太阳能热能收集提供透明隔热屏障。

技术方案：

1、制造了MOCHI超材料板材和薄膜

MOCHI超材料通过表面活性剂自组装、硅烷水解凝胶、溶剂交换与超临界干燥，形成了纳米级多孔聚硅氧烷图状网络。 

2、研究了MOCHI超材料的光学、热学及其他特性

MOCHI超材料兼具极高透明度(≈99.7%)与极低热导率(10-12 mW/K·m)，源于其纳米多孔结构、近空气折射率及双折射特性。 

3、展示了窗户、天窗和太阳能热能收集

作者证实了MOCHI超材料可用于高性能隔热玻璃，兼具优异隔音、抗冷凝性，并能用于太阳能热能收集。

技术优势：

1、通过纳米结构精确控制实现了双重性能突破

本文成功制备出具有高度受控的介孔结构（孔径远小于60 纳米）的超材料MOCHI，从而实现了可见光范围内超高透明度（>99%）和超低热导率（10-12 mW K⁻¹ m⁻¹）的协同优化，导热率甚至低于静止空气。

2、展示了建筑尺度的规模化及多功能应用

本文呢首次实现了MOCHI薄膜和板材在平方米级侧向尺寸和多厘米厚度上的制造，并展示了其在提供高R值隔热玻璃单元（R ≈ 2.64 m² K W⁻¹）、提升隔音性以及高效捕获非聚焦太阳能热能等方面的巨大应用潜力。

技术细节

MOCHI超材料板材和薄膜的制造

MOCHI超材料的制备过程利用了表面活性剂分子非平衡自组装成图状网络的优化程序。首先，将甲基三甲氧基硅烷（MTMS）加入到氯化十六烷基吡啶（CPCL）表面活性剂水溶液中，随后通过加入冰醋酸水解硅烷，并利用四甲基乙二胺（TEMED）交联聚硅氧烷网络。将此混合物转移到预制模具中，并在55°C的密闭腔室中完成凝胶化过程（0.5至37.5毫米厚的样品分别需要12至72小时）。脱模后，水凝胶通过清洗完成溶剂交换，并用乙醇去除表面活性剂。最后，通过基于CO₂的超临界干燥，将乙醇替换为CO₂，最终替换为空气，得到了高度多孔的 MOCHI 超材料。MOCHI的聚硅氧烷固含量按体积计仅占5%至15%。TEM成像和断层扫描证实，MOCHI由图状网络状的聚硅氧烷薄双连续纳米管构成，管内的孔径尺寸约为CPCL表面活性剂分子长度的两倍，且所有结构特征都在50纳米以下。

图  大规模MOCHI超材料及其纳米级形态

光学、热学及其他特性

MOCHI超材料具有高透明度，在可见光范围内的平均光透射率超过99%，实测值为≈99.7%。MOCHI的折射率（1.025至1.030）与空气的折射率（1.0003）非常接近，这种小的差异使得MOCHI即使在大的入射角下（如>70°）仍保持高透明度。两个 MOCHI-空气界面的总反射率极低，仅约为0.02%，远低于玻璃的约8%。此外，通过将两块MOCHI板材压合实现光学接触，可以消除极低的表面反射。由于部分定向有序的聚硅氧烷纳米管形态，MOCHI表现出双折射特性（0.2×10⁻⁵至1.4×10⁻⁵）。介孔形态是实现MOCHI优异热性能的关键：因为孔径远小于环境条件下空气分子的平均自由程（60至70 nm），空气分子与孔壁碰撞的频率高于相互碰撞的频率，从而极大地抑制了纳米受限空气的气体传导。MOCHI的导热系数在环境温度下可达10至12 mW K⁻¹ m⁻¹，同时由于其几何复杂性和低固相分数，聚硅氧烷网络本身也是不良热导体。MOCHI还具有防火性、超疏水性和良好的机械坚固性。

图  MOCHI的光学性质

窗户、天窗和太阳能热能收集

MOCHI超材料被用于制造隔热玻璃单元（IGUs）和窗户改造。2.5厘米厚优化MOCHI板材的热阻达到了R ≈ 2.64 m² K W⁻¹，这意味着制造的窗户单元隔热性能优于传统的建筑墙体，同时几何形状因子与普通双层窗户相似。由于MOCHI在窗户相关条件下能有效阻挡热红外黑体辐射，因此无需使用低发射率涂层即可实现高R值隔热。除了提高能效，使用MOCHI的IGU还能增强抗冷凝性和隔音性能，隔音效果比传统双层IGU高出5至10 dB。此外，由于MOCHI边缘面易于形成“光学接触”，可以拼接不同尺寸的板材，从而克服大规模超临界干燥的成本限制，实现建筑所需的大尺寸高R值IGU。MOCHI的透明度和隔热性相结合，使其可用于太阳能热能收集。通过用MOCHI包裹黑体太阳能吸收器（透射太阳光但阻挡热红外辐射），可以捕获热能，使吸收器达到约300°C的高停滞温度。通过这种方法，建筑围护结构中不透明的部分可以转化为太阳能热发电装置，从而帮助减少建筑的整体能源消耗。

图  隔热性能和在中空玻璃单元中使用MOCHI的影响

图  利用MOCHI实现太阳热能利用

展望

MOCHI通过精确控制亚50纳米孔径，有效地抑制了空气的气体传导，实现了超低导热性（低于静止空气）和极高透明度（>99%）。该材料已成功放大到建筑尺寸，可用于制造高 R 值窗户和高效太阳能热能收集系统。MOCHI为透明隔热领域提供了颠覆性解决方案，有望将低效的建筑围护结构转化为能源发电单元，大幅减少全球建筑能耗。

参考文献：

AMIT BHARDWAJ, et al. Mesoporous optically clear heat insulators for sustainable building envelopes. Science, 2025, 390(6778): 1171-1176

DOI: 10.1126/science.adx5568

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