用于定向热管理的双面雅努斯泡沫

为何控制热流重要

从让建筑保持舒适到回收工厂的废热，高效管理温度对于我们的能源未来至关重要。然而大多数材料会让热量向各个方向扩散。该研究介绍了一种新型轻质泡沫，它使热量在一个方向上更容易传递，而在相反方向上受阻，类似于热的电学二极管。通过将对阳光的巧妙控制与单向热传导相结合，这种材料可以帮助平抑昼夜温差并收集本来会被浪费的热能。

具有两种截然不同面的泡沫

研究人员将材料制成“雅努斯”泡沫，得名于这位拥有两面的罗马神祇。泡沫的一侧为暗色，能够强烈吸收阳光，将光能转化为热能；另一侧为浅色，大多反射阳光，保持相对较凉。泡沫内部多孔，但两层的孔径和成分略有不同。通过使用特制的“雅努斯”颗粒（既亲油又亲水），团队得以构建分层液体乳状体并固化成刚性、两层结构的海绵，从而实现这种双重设计。

把光转成单向的热

仅在一层中加入少量基于碳的黑色填料，就能显著改变泡沫在阳光下的表现。富含填料的暗面吸收大部分入射太阳能并迅速升温，而另一侧则大多反射光线并保持相对凉爽。测量显示，在最极端的版本中，一面仅反射少量百分比的阳光，而另一面则接近九成反射率。因此，同一块泡沫可以根据朝向天空的面不同，既能作为太阳加热器，也能作为遮阳罩。

像单程街道一样引导热量

除了与光的相互作用外，泡沫的热传导也具有非对称性。由于两层具有不同的孔隙结构——且只有一层填充了热导性材料——当热量从高导热性、小孔径的一侧进入时，传导速度比从相反方向传来时更快。使用微型加热器和传感器夹在两块泡沫之间的实验表明，“顺畅”方向的有效热流是“困难”方向的两倍以上，这对固体块体材料而言是相当强的整流效应。

从实验样品到真实环境

为了观察这种双重行为在实际中的表现，团队将泡沫板暴露在模拟阳光下，并监测日照面与阴影面的温度。当暗色、吸热面朝上时，代表受保护物体的底面比将反射面朝上时明显更暖。与更简单的单层设计相比，双面雅努斯泡沫在两个方向间放大了温差超过二十倍。研究人员随后将泡沫放大到数十厘米的面板，并在户外覆盖在小型房屋模型上。在晴天、多云甚至雾雨条件下，以“加热”方向放置泡沫的房屋内部始终比翻转后的更温暖，同时仍受益于泡沫的整体隔热特性。

这对日常能源使用意味着什么

简而言之，双面雅努斯泡沫表现为一种薄而柔性的表面，能够决定何时欢迎热量、何时阻挡热量——并且在一个方向上比另一个方向更有效。通过在一面实现强烈的阳光吸收并在内部实现单向热流，该材料可以将自然的温度波动（如昼夜循环或工业设备的周期性加热）转化为稳定、有用的热梯度。这使其成为未来被动稳定室内温度、在需要时保留热量或驱动将废热转为电能装置的有前景的构件，且无需额外消耗能量。

引用: Jiang, C., He, X., Zheng, X. et al. Dual Janus foam for directional thermal management. Nat Commun 17, 2251 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69140-6

关键词: 热管理, 雅努斯泡沫, 被动冷却与加热, 热整流器, 能量采集