王锦等在仿生结构设计及其严寒被动供暖和地表水快速净化取得系列进展

fox1992

地球是生命的家园，孕育着无数种类的生命，但人类以及大部分生物对生存环境的要求都十分苛刻：温度适宜、水份充足等。随着极端严寒和极端高温天气的频发，无源被动热管理技术已经不仅涉及节能减排问题，而且关系到在荒野、能源缺乏等地区的生存等问题；而地震、森林火灾、台风、泥石流、海啸等自然灾害，在人口聚集区也可能造成能源匮乏以及饮用水的短缺。如何保障上述情况中人们的保暖和饮水的应急需求，成为目前需要重点关注的问题之一。为此，中科院苏州纳米所王锦等人以氧化硅气凝胶为功能基元，分别设计了LBL层状结构实现极端高低温的无源被动热调控（ACS Nano 2021, 15, 19771），以及高拉伸聚合物薄膜实现高温下的被动降温（Adv. Sci. 2022, 9, 2201190）等无源热管理材料和体系。
      近日，受北极熊皮层结构的的启发，该团队等设计了一种基于氧化硅气凝胶的仿生多层结构（Bioinspired Multilayer Structure, BMS），成功实现寒冷环境下利用阳光的高效被动制热，如图1所示，提出一种透明气凝胶/光热转化材料（PTCM）/相变储能材料（PCM）的仿北极熊皮层的BMS结构，分别对应北极熊的透明保温毛发、黑色皮肤、以及厚厚的脂肪层。其中气凝胶能够使阳光进入PTCM层，转化成热量，同时防止热量的散失。而PCM层防止内部温度过高，存储大量能量，并在无太阳光照射时补充能量，实现长续航被动供暖。图2为采用此仿生结构用于寒冷环境的建筑被动供暖实验，结果表明在气温只有0℃的冬天，BMS结构内的温度可大于40℃。通过优化（图2c、2d），在冬日入射角较低、环境温度低于15℃时，建筑物内部温度可高达45℃以上，太阳下山后，依然可长时间维持在20℃以上，,结果表明此仿北极熊皮层BMS结构起到协同效应，不仅实现严寒下太阳能的被动制热和供暖，气凝胶和PCM的协同实现温度的调控以及长续航供暖。

     图1 （a、b）北极熊的皮层结构：透明、疏水、保温毛发层，黑色皮肤层，脂肪层；（c）仿生结构设计：透明、疏水、绝热的气凝胶层，光热吸收转化层，相变储能层；（d）仿北极熊皮层结构应用场景示意图；（e）透明氧化硅气凝胶照片；（f、g）仿生结构不同角度的照片

     图2 （a、b）仿生结构与普通建筑模型及其被动太阳光制热性能；（c、d）优化后的仿生结构与普通建筑模型及其被动太阳光制热性能
       进一步通过理论模拟了漠河地区2022年2月份的被动供暖效果（图3），平均温度在零下20℃以下，本文的仿北极熊BMS结构不仅实现40℃以上的被动制热，而且在太阳落山之后，依然长时间维持温度在26℃以上。这种仿生结构对南北极、高原、以及能源匮乏等极寒地区的长时间居住，提供了一种无源被动制热/供暖的参考解决策略。本文以Bioinspired Multilayer Structures for Energy-Free Passive Heating and Thermal Regulation in Cold Environments为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文第一作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室硕士生王静，通讯作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室王锦项目研究员。

     图3 （a）仿生结构被动阳光制热机理；（b）模拟的漠河地区2022年2月份的被动阳光制热性能；（c）仿生结构各层厚度对被动制热和温度维持能力的影响
      此外，针对野外长期生存以及自然灾害突发时对饮用水的应急需求，该团队与南京理工大学张轩团队合作，受鱼鳃结构高效水过滤和气体交换速率的启发，设计合成了一种仿鱼鳃结构的仿生多孔薄膜（核-壳结构PPy@PI纳米纤维膜）：以静电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜为基质模拟鱼鳃丝，Py单体在PI纳米纤维表面原位聚合形成聚吡咯(PPy)模拟鱼鳃丝凸起（图4），从而在获得大通量的同时，实现高效的固体污染物的快速过滤以及可溶污染物的快速吸附，解决野外地表水的快速过滤直饮的需求。

     图4 (a)便捷式快速水净化传统夹层结构示意图; (b)鱼鳃及鱼丝的示意图; (c)以鱼鳃为灵感设计的仿生结构; (d)核-壳结构PPy@PI纳米纤维膜的合成示意图


       本工作进一步以京杭大运河苏州段地表水为实际验证对象，探究了PPy@PI纳米纤维膜对河道天然水的净化能力。结果表明，该膜可以有效去除河流浊水中的悬浮物和大肠菌群，去除率分别为94.1%和100%，同时渗透液中的Cr6+ 浓度仍然满足饮用水的安全标准（图5）。在整个过滤测试过程中没有添加任何化学物质，因此，这种理想的消毒效果确保膜系统的安全产水，有望扩大其在新兴的野外清洁水供应中的应用。相关工作近日以“Biomimetic Core–Shell–Structured Nanofiber Membranes for Rapid and Portable Water Purification”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文第一作者为南京理工大学与苏州纳米所联合培养硕士生商苗苗，通讯作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室王锦项目研究员和南京理工大张轩教授。

     图5 (a)水源地照片:位于京杭大运河苏州段;(b)过滤前后地表水的光学照片;(c) PPy@PI-7纳米纤维膜过滤前(c1)和过滤后(c2:上表面，c3:下表面)的SEM图像;(d) PPy@PI-7纳米纤维膜的EDS图;(e)过滤后膜顶部的元素含量;(f) PPy@PI-7纳米纤维膜净化地表水的结果
       以上工作分别获得国家自然科学基金、江苏省自然科学基金以及苏州市科技局等项目资助。
        论文链接: Bioinspired Multilayer Structures for Energy-Free Passive Heating and Thermal Regulation in Cold Environments
                   Biomimetic Core–Shell–Structured Nanofiber Membranes for Rapid and Portable Water Purification
            文章来源：苏州纳米所
       　王锦，项目研究员，硕士生导师，2019年度纳米所优青获得者，2020年度江苏省“双创计划”科技副总。2012年3月于北京理工大学获博士学位；2012年4月-2014年1月分别在日本东京工业大学有机与高分子化学系和山形大学工学部进行博士后研究；2014年2月加入中科院苏州纳米所，任副研究员、项目研究员。长期以来，一直从事高分子化学与物理、超分子化学、气凝胶设计合成与应用研究。在Progress in Polymer Science, ACS Nano, Macromolecules, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Macro Letters, Journal of Materials Chemistry A, Polymer Chemistry等期刊上发表论文50余篇，引用1000余次，参与著作编写2部，申请发明专利30项，授权11项，技术转让9项，研究成果多次作为期刊封面亮点推介。主持3项国家自然科学基金项目（包括重大研究计划、面上和青年基金各一项）、中科院科技创新重点部署项目、江苏省自然科学基金、苏州市科技局项目，航天科技项目等10余项，并作为研究骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中科院专项、苏州市科技局项目等10余项。