受自然界珍珠贝“砖-泥”层状结构的启发，武汉理工大学傅正义院士、平航研究员团队和成都大学魏竟江研究员合作，报道了一种兼具高效辐射冷却性能与优异力学强度的仿生氮化硼（BN）块体复合材料。该材料通过水分子辅助加压取向与界面耦合策略制备而成，利用海藻酸钠（SA）辅助BN分散及Ca²⁺离子交联，在层压热压过程中实现了BN纳米片的高度有序排列和强界面结合，形成了珍珠贝仿生层级结构。所得BN-SA-Ca²⁺复合材料的抗弯强度达78.3 MPa，断裂韧性为2.48 MPa·m¹/²，同时具有优异的光学性能——太阳光反射率达89.7%，中红外发射率达84.5%。夜间净辐射冷却功率达140.1 W·m⁻²，户外实测可实现12.5 °C的降温效果。该工作为构建力学鲁棒的辐射冷却材料提供了仿生策略，为高热通量电子器件的热管理提供了可行解决方案。相关论文以“High-Performance Passive Radiative Cooling Enabled by Oriented Boron Nitride/Sodium Alginate Composites with Water Molecule-Assisted Pressure Assembly”为题，发表在ACS Nano上。

制备策略与结构特征：水分子辅助取向构建珍珠贝仿生结构

研究团队设计并实施了一套基于水分子界面辅助取向和压力驱动界面耦合的制备策略。如图1a所示，该过程首先利用海藻酸钠对BN纳米片进行超声表面修饰，通过表面羧酸根（COO⁻）之间的静电排斥实现稳定分散；随后，Ca²⁺离子诱导的配位作用和多重氢键驱动形成力学稳健的水凝胶网络（图1b）；水凝胶层经层层堆叠后，在室温下进行预压处理（5 MPa，3 h），此过程中界面水分子通过氢键介导的相互作用辅助BN纳米片重新取向；最后在50 MPa和90 °C条件下热压6 h，进一步强化层间界面并促进纳米片高度取向，最终形成致密且高度有序的砖-泥结构。能谱面扫描（图1c）显示N、B、O、C、Ca元素在整个块体中均匀分布，表明各组分有效整合。块体照片（图1d）呈现白色外观，表面略显粗糙，块体密度约1.72 g/cm³，仅为天然珍珠贝的61.2%，彰显了其轻质特性。扫描电镜图像（图1e）清晰地展示了典型的珍珠贝仿生层状结构，层间结合紧密；高倍SEM（图1f）进一步显示BN纳米片密集堆叠且层间空隙极少，形成连续致密的界面。

图1. 基于水分子界面辅助取向和压力驱动界面耦合的块体复合材料设计与制备。(a) 制备过程示意图：(i) 利用海藻酸钠（SA）对氮化硼（BN）纳米片进行超声表面修饰；(ii) 通过Ca²⁺-SA交联形成水凝胶网络；(iii) 水凝胶层层堆叠后于环境压力下压制，水分子界面辅助压力诱导BN重新取向；(iv) 热压驱动界面耦合并进一步强化BN层间有序排列。(b) BN-SA-Ca²⁺制备过程的对应微观示意图。(c) BN-SA-Ca²⁺块体的能谱面扫描元素分布图，显示元素均匀分布。(d) BN-SA-Ca²⁺块体照片。(e) (d)中橙色方框所标示区域的SEM图像，显示明显的层状结构。(f) (e)中蓝色方框所标示区域的高倍SEM图像。

力学性能与增韧机制：多重增韧实现强度与韧性协同提升

该BN-SA-Ca²⁺块体复合材料在力学性能方面展现出显著优势。三点弯曲测试（图2a）表明，其抗弯强度达78.3 MPa，分别是BN-SA块体（16.7 MPa）和纯BN块体（3.6 MPa）的4.67倍和21.75倍；弯曲模量（图2b）达10.8 GPa，显著高于BN块体（3.3 GPa）和BN-SA块体（2.2 GPa），体现了仿生结构带来的强度与刚度的同步提升。与先前报道的仿珍珠贝材料和BN基块体复合材料相比（图2c），尽管抗弯强度处于中等水平，但弯曲模量明显高于大多数对比材料，在高模量力学性能方面优势突出。单边缺口梁（SENB）测试（图2d、图2e）进一步揭示了其优异的断裂行为：BN-SA-Ca²⁺块体的初始断裂韧性为1.31 MPa·m¹/²，是BN-SA块体（0.86 MPa·m¹/²）的1.52倍；最大断裂韧性达2.48 MPa·m¹/²，较BN-SA块体（1.42 MPa·m¹/²）提高了1.75倍。将抗弯强度与断裂韧性综合考量时（图2f），该材料优于大多数已报道的仿珍珠贝和BN基块体复合材料。SEM观察显示（图2g），裂纹扩展路径呈现明显的锯齿形，裂纹沿BN纳米片取向方向偏转（图2h），并触发了裂纹分支（图2j）和裂纹桥联（图2k）等多种增韧机制。高倍SEM图像（图2i）显示裂纹内部暴露了SA修饰的BN纳米片，BN与SA之间的氢键以及Ca²⁺介导的SA链螯合交联将BN纳米片锚固在坚固的三维网络中，显著增强了界面相互作用（图2l），使得BN纳米片在加载过程中能够发生相对滑动以耗散能量，从而实现力学性能的大幅提升。

图2. BN-SA-Ca²⁺块体复合材料的力学性能及对比分析。(a) 三点弯曲测试获得的不同块体材料的弯曲应力-应变曲线。(b) 各块体材料抗弯强度与弯曲模量对比。(c) 本工作所开发块体复合材料的抗弯强度与模量同代表性层状材料的性能基准对比。(d) SENB测试测得的块体复合材料裂纹扩展阻力。(e) 不同块体材料的本征断裂韧性与最大断裂韧性对比。(f) 断裂韧性与抗弯强度综合性能同结构类似层状材料的对比。(g) SENB测试后裂纹区域的SEM图像。(h) 裂纹偏转行为的SEM表征。(i) (h)所示裂纹区域的高倍SEM图像。(j, k) SENB测试后裂纹分支与裂纹桥联的SEM图像。(l) 外加载荷下裂纹萌生、扩展与延伸的示意图。

环境适应性与导热性能：严苛环境下保持结构稳定

BN-SA-Ca²⁺块体复合材料在多种严苛环境下展现出优异的稳定性。如图3所示，该材料在100 mM HCl溶液（图3a、图3b-3c）、100 mM NaOH溶液（图3d、图3e-3f）、液氮（约-197 °C）（图3g、图3h-3i）和沸水（约100 °C）（图3j、图3k-3l）中浸泡后，表面形貌均未发生明显变化，层状结构保持完整，显示出良好的耐酸碱、耐低温和耐高温性能。在导热性能方面（图3m），由于面内取向的BN纳米片提供了连续的声子传输通道，以及Ca²⁺与SA羧酸根之间的离子配位作用强化了界面结合、降低了界面热阻，BN-SA-Ca²⁺块体的面间热导率达4.6 W·m⁻¹·K⁻¹，约为BN-SA块体（3.2 W·m⁻¹·K⁻¹）的1.4倍，但低于纯BN块体（5.3 W·m⁻¹·K⁻¹）。值得注意的是，尽管纯BN块体具有最高的热导率，在相同加热条件下（加热台100 °C，图3n）BN-SA-Ca²⁺块体却表现出更低的稳态表面温度（约97.9 °C），而纯BN块体和BN-SA块体表面温度均约为99.7 °C。这一结果表明，除热传导外，BN-SA-Ca²⁺块体还通过额外的被动辐射冷却路径散发热量，传导散热与辐射冷却的协同效应带来了更显著的温降效果。在模拟室内太阳照射下（1000 W·m⁻²，图3o），BN-SA-Ca²⁺块体的稳态温度（58.7 °C）低于水泥（65.4 °C）、玻璃（62.7 °C）和木材（61.7 °C），展现了优异的热屏蔽与散热能力。

图3. BN-SA-Ca²⁺块体复合材料的恶劣环境耐受性及多功能应用场景。(a) 100 mM HCl溶液浸泡，(d) 100 mM NaOH溶液浸泡，(g) 液氮浸泡，(j) 沸水浸泡。(b, c) 100 mM HCl溶液浸泡前后块体表面的光学图像。(e, f) 100 mM NaOH溶液浸泡前后块体表面的光学图像。(h, i) 液氮浸泡前后块体表面的光学图像。(k, l) 沸水浸泡前后块体表面的光学图像。(m) 不同块体材料的热导率。(n) 加热台上不同块体材料测得的表面温度。(o) 模拟室内太阳照射下块体复合材料与传统建材的隔热性能比较。

光学性能与辐射冷却机制：高反射与高发射协同实现高效降温

辐射冷却材料的两项关键参数——太阳光反射率和热发射率——在BN-SA-Ca²⁺块体中得到了协同优化。如图4所示，变角度反射率测试（图4a）表明，随着入射角从6°增大到60°，反射率从92%逐渐降低至83%，但仍保持较高水平。BN纳米片在块体表面的尺寸分布示于图4b（主要分布在0~10 μm），其折射率如图4c所示。发射率主要取决于材料的本征振动特性：BN在770 cm⁻¹处的B-N-B弯曲振动和SA在1030 cm⁻¹处的C-O伸缩振动均位于大气窗口内，协同增强了红外发射（图4d）。在太阳光反射方面，由于BN纳米片的横向尺寸与太阳辐射波长相当，米氏散射和几何散射主导了光散射过程。模拟计算（图4e）显示粒径约3 μm的BN纳米片具有最高的散射效率。时域有限差分法模拟（图4f）揭示了不同入射波长（300、500、1000和1700 nm）下电场在材料内部的传播与分布。在光谱特性方面（图4g），BN-SA-Ca²⁺块体在太阳光谱范围（0.3~2.5 μm）的平均反射率达89.7%，在8~13 μm大气窗口内的平均发射率达84.5%，均显著优于BN-SA块体和纯BN块体。净辐射冷却功率计算（图4h、图4i、图4j）表明，在典型大气条件下，BN-SA-Ca²⁺块体的理论净冷却功率超过80 W·m⁻²，且随着热交换系数的降低，冷却功率进一步提高。理论降温潜力超过30 °C。

图4. BN-SA-Ca²⁺块体复合材料的光学表征与辐射冷却性能。(a) BN-SA-Ca²⁺块体表面的角度依赖反射率。(b) BN-SA-Ca²⁺块体表面BN纳米片的尺寸分布。(c) BN-SA-Ca²⁺块体的折射率。(d) 太阳照射下BN-SA-Ca²⁺块体的被动冷却机制示意图。(e) 尺寸在0.02~8 μm范围内BN纳米片的模拟散射效率。(f) 入射波长为300、500、1000和1700 nm时BN-SA-Ca²⁺块体内部电场传播的模拟结果。(g) BN-SA-Ca²⁺块体、BN-SA块体和BN块体的光谱反射率与发射率，以及AM 1.5太阳光谱和大气透射窗口。(h) 不同太阳辐照度和大气透射率条件下BN-SA-Ca²⁺块体的计算辐射冷却功率。(i, j) 不同热交换系数（q值）条件下BN-SA-Ca²⁺块体日间和夜间的计算净辐射冷却功率。

户外实测与综合性能比较：实际环境中验证高效冷却能力

为验证实际应用效果，研究团队搭建了户外测试平台进行实时监测（图5a）。在晴朗天气条件下（太阳辐照度峰值约1000 W·m⁻²，图5b），覆盖BN-SA-Ca²⁺块体的腔体温度较未覆盖的参考腔体最大降低12.5 °C（图5c、图5d），且降温效果在白天和夜间均持续保持。尽管受风速（峰值6 km/h）和湿度（高达31%，图5e）等非理想因素影响，实际温降幅度低于理论预测值，但在考虑4~6 W·m⁻²·K⁻¹的非辐射热交换系数等实际热负荷条件下，该复合材料仍能维持12.5 °C的降温效果，充分证明了其在严苛非理想条件下的高效辐射冷却能力。补充测试显示：阴天条件下（平均太阳辐照度约600 W·m⁻²），BN-SA-Ca²⁺块体仍实现了约11 °C的最大温降；在上午时段（09:00-12:00）的测试中，随着太阳辐照度从800 W·m⁻²逐步升至1200 W·m⁻²以上，该复合材料始终保持4~8 °C的稳定温降，展现了全天候热管理能力。长期耐久性测试表明，经过100 h热老化（85 °C）后，抗弯强度保持73.5 MPa、杨氏模量10.5 GPa；经100 h紫外加速老化后，抗弯强度约47 MPa、杨氏模量约6.6 GPa，但仍远优于纯BN块体（3.6 MPa），满足实际全天候长期服役的结构完整性要求。在六项关键性能指标（热导率、断裂韧性、断裂强度、实际降温、太阳光反射率、夜间净辐射冷却功率）的综合对比中（图5f），BN-SA-Ca²⁺块体在绝大多数方面展现出明显优势。

图5. BN-SA-Ca²⁺块体复合材料的户外冷却性能评估与对比。(a) 定制户外测试装置示意图，右侧为实验装置数码照片。(b) 户外测量期间实时太阳辐照度随时间变化曲线。(c) 覆盖不同块体复合材料的腔体与未覆盖参考腔体的实时温度-时间曲线。(d) 覆盖不同块体复合材料的腔体与未覆盖腔体的温差随时间变化曲线。(e) 测试期间风速和相对湿度的实时监测数据。(f) BN-SA-Ca²⁺块体复合材料与先前报道辐射冷却材料的辐射冷却性能雷达图对比。

总结与展望

本研究成功制备了多功能珍珠贝仿生层状BN-SA-Ca²⁺块体复合材料。海藻酸钠实现了BN纳米片的高效分散，Ca²⁺离子与SA的羧酸根配位构建了三维网络；在此基础上提出的水分子界面辅助取向与压力驱动界面耦合两步策略调控了BN纳米片的有序排列，显著提升了韧性。BN与SA之间的强界面相互作用，结合84.5%的大气窗口高发射率，为高效辐射冷却提供了基础。所得复合材料兼具优异的力学鲁棒性与辐射冷却性能——抗弯强度78.3 MPa、弹性模量10.8 GPa、断裂韧性2.48 MPa·m¹/²，在酸碱（100 mM）、液氮（约-197 °C）和沸水（约100 °C）等严苛环境下保持良好稳定性；同时具有89.7%的太阳光反射率和84.5%的发射率，夜间净辐射冷却功率达140.1 W·m⁻²，理论降温潜力超过30 °C，户外实测最大温降12.5 °C。该工作展示了BN-SA-Ca²⁺块体复合材料作为户外设备和电子器件长期热管理用候选材料的广阔前景，为开发兼具结构承载功能与热管理功能的新型材料提供了可行的仿生设计范式。