非對稱的熱傳導與輻射性質，是實現定向熱能管理與熱能開發利用的重要工具。熱整流是一種非對稱的熱傳導現象，具有熱整流效應的材料，其傳熱速率存在方向依賴性。非對稱結構是熱整流材料的核心結構特征。目前，在宏觀尺度與溫和條件下構筑具有熱整流效應材料的策略仍然有限。
近期，首都師范大學/清華大學梁福鑫團隊，基于兩親性Janus顆粒穩定的乳液，利用乳液的高度穩定性，采用“類雞尾酒”層層澆筑乳液的方法，一步制備了非對稱顯著、層間結合緊密的多級Janus結構熱整流材料。
相關系列研究成果，以“Janus particles stabilizedasymmetric porous composites for thermal rectification”、“Dual Janus foam for directional thermal management”為題先后發表在期刊《Nature Communications》上。文章第一作者為清華大學化學工程系畢業生蔣超博士，通訊作者為首都師范大學教授。中科院工程熱物理研究所陳海生/鄭興華團隊參與了材料熱物性研究。
由兩親性Janus顆粒穩定的乳液，可以進行層層澆筑堆疊，形成類似雞尾酒的結構，如圖1所示。澆筑乳液層內穩定，層間無干擾，確保了各層結構的相對獨立性，為后續多級Janus多孔結構的制備奠定了基礎。
圖1 Janus顆粒穩定的多層乳液澆筑與多級多孔材料制備。(a) 類雞尾酒層層澆筑乳液策略示意圖； (b) 多層澆筑乳液的照片；(c) 小尺寸液滴乳液的光學顯微圖片；(d)大尺寸液滴乳液的光學顯微圖片；(e) 交替多層多孔結構材料的宏觀照片；(f–k) 交替多層多孔結構材料斷面的SEM圖片。
Janus顆粒在乳液液滴的水油界面自發取向，緊密排列，形成界面有序微納結構，其親水端指向原水相所在的孔洞，疏水端則包埋在聚合物基體內。該有序界面顆粒層，既有效穩定了乳液液滴穩定，也賦予了多孔材料以良好的尺寸、結構穩定性。由Janus顆粒制備的乳液液滴，穩定性優異，可在高內相體積分數下保持層內乳液獨立性。將兩種液滴尺寸不同的乳液逐層堆疊澆筑，其彼此間保持獨立與穩定。將堆疊澆筑乳液聚合、干燥，即可得到層間非對稱性顯著的輕質多孔材料（圖2）。
圖2 乳液層層澆筑聚合制備Janus多孔結構復合材料。(a) 低密度Janus多孔材料的宏觀照片；(b) 多孔材料內部孔壁處的SEM圖片；(c) 多孔材料孔壁處Janus顆粒的取向與排列；(d) Janus多孔材料的Micro-CT結構圖片；(e) Janus多孔材料的Micro-CT二維截面圖；(f) Janus多孔材料的孔尺寸統計圖。
基于多孔材料的三維結構與基體性質進行傳熱過程模擬，結果表明，非對稱結構的多孔材料具有熱整流效應。進一步的導熱系數測試顯示，材料在正反兩個方向上具有不同的導熱系數。通過對多孔材料孔尺寸、孔隙率的不對稱程度設計調節，可以調控材料的熱整流性能，熱整流比可達到38%。Janus顆粒穩定乳液制備多孔材料的方法簡便易操作，可以實現批量制備。模型實驗證明，具有熱整流效應的材料可以定向調控模型房子內部溫度與熱量傳遞（圖3）。
圖3 Janus多孔材料的熱整流性質與定向熱能調控性能。(a)Janus多孔材料的傳熱模擬；(b) 不同方向導熱系數；(c) 多孔材料非對稱性調控熱整流性能；(d-e) Janus多孔材料于熱臺上以不同方向加熱，其上表面溫度變化；(f) 大尺寸制備多孔材料；(g) Janus多孔材料的定向熱能管理示意圖；(h) 室外測試定向熱能調控性能。
在非對稱的熱傳導之外，非對稱的輻射性能也是實現定向熱能調控的重要途徑。非對稱的可見光反射/吸收設計，常見于制備動態與長效被動輻射冷卻/加熱材料。目前的研究通常孤立輻射與熱傳導的貢獻，使得定向熱能調控性能受限。據此，利用Janus顆粒穩定乳液制備多級多孔材料的策略，可以方便地調控并組合設計材料的非對稱特性。于小孔層引入良導熱、高可見光吸收率的還原氧化石墨烯（rGO）納米片，制備具有雙重非對稱結構（雙Janus結構）的多孔材料，實現了定向熱能調控性能的進一步提升。
圖4 雙Janus結構多孔材料的光熱非對稱性。(a) 單Janus與雙Janus結構多孔材料的光熱非對稱性；(b-d) 各多孔材料在近地面太陽輻射波段的反射率；(e-f) 雙Janus結構多孔材料不同側在模擬日光照射下，上表面的熱紅外成像與溫度變化。
通過小孔層引入rGO，可以顯著降低該層的近地面太陽輻射波段的反射率。結合另一側多孔材料在該波段的高反射率，形成了顯著的光輻射非對稱性。近地面太陽輻射波段的平均反射率差可以達到80%。在模擬日光照射下，樣品呈現明顯的非對稱光熱效應（圖4）。
同時，由于rGO被引入小孔層，該層熱導率得以提升，熱整流性能進一步提高。在導熱系數的平面熱源法測試中，表現為樣品受熱側溫度探頭的溫度升高速率的差異擴大，即散熱能力差異擴大。雙Janus結構材料的熱整流比可以達到122%，在宏觀熱整流材料中較為優異。且材料整體熱導率仍較低，可適用于保溫、隔熱優先的應用場景（圖5）。
圖5 雙Janus結構多孔材料的熱整流性能。(a) 平面熱源法測試導熱系數示意圖；(b) 雙重非對稱性對熱整流性能的優化示意圖；(c–e) 樣品受熱側探頭溫度變化；(f) 各非對稱多孔樣品的正反向導熱系數；(g) 熱整流性能對比；(h) 各均勻孔多孔樣品導熱系數。
結合光輻射非對稱與熱傳導非對稱性，可以顯著提高材料的定向熱能調控能力。在模擬日光照射下，樣品以正、反方向放置的上表面溫度差異隨著雙重非對稱性的引入與提高而擴大，其下表面也具有相同趨勢，表明雙Janus結構多孔材料的定向熱能調控能力得到了提高（圖6）。結合材料自身的熱整流性能，材料在夜間也具有定向熱能調控的能力，這在室外測試的結果中得到證實。此外多天氣狀況下，如多云天、雨霧天，雙Janus結構材料仍可表現出定向熱能調控作用。這對于利用周期性變化的單一熱源轉變為可利用溫差與熱機驅動力具有重要意義，為定向熱能管理與熱能利用提供了新思路。
圖6 雙Janus結構多孔材料的定向熱能調控性能。(a) 大面積樣品照片；(b) 模擬日光測試裝置示意圖；(c) 雙Janus結構多孔材料的定向熱能調控示意圖；(d–f) 模擬日光照射下，各樣品正、反向放置時的上表面溫度變化；(g–h)非對稱多孔材料正、反向放置時的下表面溫度變化；(i) 各樣品定向熱能調控性能對比。
該工作得到了國家自然科學基金（U22A20252,52173076）、北京市自然科學基金（Z240030,L248023）的支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-60792-4
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69140-6
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