昆虫的体温调节一直是一个有趣的话题。一些昆虫能够在极寒环境中生存，如阿拉斯加抗冻甲虫（Upis ceramboides）、准格尔小胸鳖甲（Microdera punctipennis dzungarica）、南极摇蚊（Belgica antarctica）进化出了巧妙的协同热管理性能，即依赖黑色表面吸光和和体内的抗冻蛋白，在极端天气下保持体温，防止体液冷冻。这种巧妙的热管理策略使昆虫能够充分利用阳光和周围环境的能量，帮助它们在极低的温度下生存。
近日，受抗冻昆虫的启发，同济大学物理科学与工程学院与环境科学与工程学院合作，证明了抗冻蛋白除具有抗冻功能外，还具有储能特性。含量仅为0.03%的抗冻蛋白（AFP）溶液就能使其相变潜热相比纯水显著增加约12%，并模仿昆虫的黑色表面与抗冻蛋白的协同热管理，通过将MXene和有机相变石蜡集成到细菌纤维素基气凝胶中，设计了一种结合光热转换和储能功能的复合相变薄膜。进一步地，通过化学气相沉积甲基三甲氧基硅烷（MTMS）来增强复合气凝胶与石蜡的相互作用，实现了复合相变薄膜负载液体石蜡能力提高（负载量提高~47.60%、泄露减少~50%）、相变潜热增加（28.83–32.74%）和力学性能增强（杨氏模量提高约5倍）的特点。将具有隔热能力的MXene/细菌纤维素气凝胶和能够储热的气凝胶基相变薄膜结合在一起作为一种可拆卸的建筑层使用，在模拟太阳光加热和随后0℃模拟寒冷环境降温的约20 min过程中，可将模拟建筑内的温度保持在人体舒适温度的20-26℃范围内达800秒，其保温时间比不使用该层延长了一倍以上，表现出优异的热管理性能。该工作表明，气凝胶与有机相变复合材料的结合使用可能成为热管理领域一种新的方向。此外，研究中关于抗冻蛋白储能行为的研究将对热能和温度管理有一定的启发作用。
该工作以MXene aerogel-based phase change film for synergistic thermal management inspired by antifreeze beetles为题发表在Cell Reports Physical Science中（Cell Reports Physical Science, 2022, 3(4): 100815）。该论文的第一作者是同济大学物理科学与工程学院博士生姬秀洁和环境科学与工程学院博士生姜越，通讯作者为同济大学物理科学与工程学院杜艾副教授和环境科学与工程学院林思劼教授，物理科学与工程学院硕士刘婷也做了突出贡献。该工作受到了国家自然科学基金，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项和上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室开放课题的支持。
图 1 抗冻蛋白的储能功能：（A）在~15℃环境温度下，纯水（蓝线）和含0.03% AFP的水溶液（绿线）的温度下降过程，插图分别为400 s和1000 s下两种溶液的热像图（左为带AFP的水，右为纯水）；（B）纯水（蓝线）和含0.03% AFP的水（绿线）的DSC曲线；（C）抗冻甲虫的协同热管理示意图：通过黑色表面吸收太阳光，并将光能转换为热能，通过AFPs储热（左），在夜间或寒冷天气释放热能（右）。
图 2 MXene/细菌纤维素复合气凝胶及气凝胶基复合相变薄膜的制备与微结构研究：（A）包覆硅烷的MXene/细菌纤维素气凝胶（以下简称MB@MTMS AGs）及其复合相变薄膜（以下简称MB@MTMS AG-paraffin）的制备过程及结构示意图；（B-E）无包覆的MXene/细菌纤维素气凝胶（以下简称MB AGs，B）、及其复合相变薄膜（以下简称MB AGs -paraffin，C）、MB@MTMS AGs（D）、MB@MTMS AGs-paraffin（E）的SEM图像；（F-G）MB AGs （F）和MB@MTMS AGs （G）中C、O、Ti、Si元素的EDS谱图；（H） MB AGs与MB@MTMS AGs中的元素含量比较。
图 3 气凝胶及其复合相变薄膜的成分表征：（A-C）MB AGs、MB@MTMS AGs、MB AG-paraffin、MB@MTMS AG-paraffin的红外光谱图（FTIR，A）、X射线衍射（XRD，B）和热失重曲线（TG-DTG，C）；（D）纯石蜡、MB AG-paraffin和MB@MTMS AG-paraffin在升/降温过程中的吸/放热曲线（DSC）；（E）MB@MTMS AG-paraffin在10个连续升降温循环下相变过程中的熔化潜热（ΔHm）和结晶潜热变化（ΔHc），插图为10个循环过程的DSC曲线。
图 4 气凝胶及气凝胶PCM薄膜的光热转换性能：（A）BC AGs-paraffin、MB AG-paraffin、MB@MTMS AG-paraffin和MB@MTMS AGs在模拟太阳光照下的升温和降温曲线，虚线部分表示温度下降到16°C以下；（B）模拟太阳光照射时（上）和照射后（下）样品热像图对比，包括（1）BC AG-paraffin、（2）MB AG-paraffin、（3）MB@MTMS AG-paraffin、（4）MB@MTMS AG；（C）MB@MTMS AG-paraffin在3个模拟日照开关周期下的升温和降温曲线；（D）10个模拟日开关循环后BC AG-paraffin、MB AG-paraffin、MB@MTMS AG-paraffin的质量损失；（E）10个模拟日照开关循环中，气凝胶基复合材料中石蜡相变为液体后泄漏的光学图像，位置与图4B中的热图像相对应。
图 5 气凝胶及气凝胶基复合相变薄膜的力学性能与热管理性能：（A） MB@MTMS AGs在80%压缩-回弹10次循环试验下的压缩应力-应变曲线，插图为MB@MTMS AGs压缩前后的光学图像；（B）MB AG-paraffin和MB@MTMS AG-paraffin在10℃和50℃下的拉伸应力-应变曲线；（C）MB@MTMS AGs及其复合相变薄膜组合用于温差较大地区建筑热管理的应用方案，其中气凝胶层用于保温，复合相变薄膜层用于热量储存和释放；（D）模拟日光照射升温（0-600 s）和夜间降（600-1200 s）时使用和不使用相变薄膜时的温度-时间曲线；（E）几种气凝胶基复合相变材料的热管理性能比较。比平台时间（specific plateau time）定义为相变材料在相变过程中所能保持的平台温度时间除以其体积。
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