近期，北京理工大学软物质力学团队在热管理领域取得重要突破。相关成果以 “Beehive-Inspired Aerogels with Self-Assembled Phase Change Walls for Thermal Regulation”为题发表在国际顶级期刊《ACS Energy Letters》，并入选当期封面论文 （Supplementary Cover）。北京理工大学空天科学与技术学院助理教授左磊与北京理工大学唐山研究院—天津理工大学联合培养硕士生温彪为共同第一作者，北京理工大学空天科学与技术学院张凯教授、天津理工大学材料科学与工程学院赵云峰教授为共同通讯作者。

图1 《ACS Energy Letters》封面论文（Supplementary Cover）

气凝胶是一种超轻、多孔且隔热性能优异的热管理材料，广泛应用于航空航天、建筑节能、电子设备散热以及新能源电池热防护等众多领域。其传统设计仅聚焦于隔热功能而未整合储放热特性，在应对温度交替变化的外部环境时，限制了其空间恒温调控能力。通过引入相变材料可有效集成储放热功能，有望在同一材料体系中同步实现高储能密度、强力学性能与优异循环稳定性的协同。当前，相变气凝胶（PCAs）的主流设计策略主要分为嵌入式与均质化两类：嵌入式方法需将负载微胶囊化或将颗粒状相变材料混合到气凝胶基质，但高负载条件下界面粘附力不足易导致力学性能降低；均质化方法则在分子级尺度将相变材料与支撑性聚合物交联，却因结晶度降低限制了潜热值。因此，如何构建兼具稳定结构、高潜热与低导热特性的相变气凝胶网络，已成为该领域亟待突破的问题。

在自然界中，蜜蜂筑巢的过程蕴含着精妙的智慧。蜜蜂将分泌的蜂蜡放入嘴中进行咀嚼，然后将表面混有唾液的蜂蜡颗粒堆积到蜂巢壁上，最后用腹部压实蜂窝壁，赋予蜂巢稳固的形态。而且，蜂蜡还能被回收再利用以再造新巢，实现资源的闭环循环。张凯教授在攻读博士学位期间对蜂窝力学及构型演化机制进行了深入研究，前期工作也发表在了国际知名期刊PNAS1以及Journal of The Royal Society Interface2等。

基于研究团队基础，受天然蜂窝启发，提出一种新型仿生相变气凝胶的网络设计方法及制备技术。该方法，利用相变材料模拟“蜂蜡颗粒”，以聚合物“粘结剂”模拟经咀嚼后在蜂蜡表面附着的“天然黏合剂”，以冰模板法模拟蜜蜂用腹部压实蜂窝壁的过程，最终基于自组装方式构筑了相变气凝胶（图2 a-b）。所制备材料兼具高潜热和低热导率，并表现出优异的抗压性能，解决了相变气凝胶力学性能与储能之间难以协同的难题。（图2 c-e）。

图2 仿生相变气凝胶的设计原理、实现方法及力-热性能

本研究模拟验证了建筑物中该新型相变气凝胶的恒温调控能力（图3）。研究发现，基于“隔热+储热”一体化机制的相变气凝胶，实现了长达24小时的接近恒温调控，效果显著优于商业气凝胶。此外，该相变气凝胶具有与蜂窝类似的可循环利用特性，为其在建筑等领域、航天热防护、冷链物流等领域可持续应用奠定了基础。

图3 仿生相变气凝胶（PCA）在建筑领域中的应用

该研究得到了国家自然科学基金、北京市科技计划项目以及天津市自然科学基金的经费支持。

论文详情：Biao Wen⊥, Lei Zuo⊥, Nannan Jian, Xiaoqiang Song, Boyuan Miao, Lijuan Zhao, Yunfeng Zhao*, and Kai Zhang*. Beehive-Inspired Aerogels with Self-Assembled Phase Change Walls for Thermal Regulation. ACS Energy Letters, 2025, 10, 6197−6206.

全文链接： https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c02994

前期相关工作：

(1)Zhang, K.; Duan, H.; Karihaloo, B. L.; Wang, J. Hierarchical, Multilayered Cell Walls Reinforced by Recycled Silk Cocoons Enhance the Structural Integrity of Honeybee Combs. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.2010, 107 (21), 9502–9506. https://doi.org/10.1073/pnas.0912066107.

(2)Karihaloo, B. L.; Zhang, K.; Wang, J. Honeybee Combs: How the Circular Cells Transform into Rounded Hexagons. J. R. Soc. Interface.2013, 10 (86), 20130299. https://doi.org/10.1098/rsif.2013.0299.