非对称的热传导与辐射性质，是实现定向热能管理与热能开发利用的重要工具。热整流是一种非对称的热传导现象，具有热整流效应的材料，其传热速率存在方向依赖性。非对称结构是热整流材料的核心结构特征。目前，在宏观尺度与温和条件下构筑具有热整流效应材料的策略仍然有限。

  近期，首都师范大学/清华大学梁福鑫团队，基于两亲性Janus颗粒稳定的乳液，利用乳液的高度稳定性，采用“类鸡尾酒”层层浇筑乳液的方法，一步制备了非对称显著、层间结合紧密的多级Janus结构热整流材料。

  相关系列研究成果，以“Janus particles stabilizedasymmetric porous composites for thermal rectification”、“Dual Janus foam for directional thermal management”为题先后发表在期刊《Nature Communications》上。文章第一作者为清华大学化学工程系毕业生蒋超博士，通讯作者为首都师范大学教授。中科院工程热物理研究所陈海生/郑兴华团队参与了材料热物性研究。

  由两亲性Janus颗粒稳定的乳液，可以进行层层浇筑堆叠，形成类似鸡尾酒的结构，如图1所示。浇筑乳液层内稳定，层间无干扰，确保了各层结构的相对独立性，为后续多级Janus多孔结构的制备奠定了基础。

图1 Janus颗粒稳定的多层乳液浇筑与多级多孔材料制备。(a) 类鸡尾酒层层浇筑乳液策略示意图； (b) 多层浇筑乳液的照片；(c) 小尺寸液滴乳液的光学显微图片；(d)大尺寸液滴乳液的光学显微图片；(e) 交替多层多孔结构材料的宏观照片；(f–k) 交替多层多孔结构材料断面的SEM图片。

  Janus颗粒在乳液液滴的水油界面自发取向，紧密排列，形成界面有序微纳结构，其亲水端指向原水相所在的孔洞，疏水端则包埋在聚合物基体内。该有序界面颗粒层，既有效稳定了乳液液滴稳定，也赋予了多孔材料以良好的尺寸、结构稳定性。由Janus颗粒制备的乳液液滴，稳定性优异，可在高内相体积分数下保持层内乳液独立性。将两种液滴尺寸不同的乳液逐层堆叠浇筑，其彼此间保持独立与稳定。将堆叠浇筑乳液聚合、干燥，即可得到层间非对称性显著的轻质多孔材料（图2）。

图2 乳液层层浇筑聚合制备Janus多孔结构复合材料。(a) 低密度Janus多孔材料的宏观照片；(b) 多孔材料内部孔壁处的SEM图片；(c) 多孔材料孔壁处Janus颗粒的取向与排列；(d) Janus多孔材料的Micro-CT结构图片；(e) Janus多孔材料的Micro-CT二维截面图；(f) Janus多孔材料的孔尺寸统计图。

  基于多孔材料的三维结构与基体性质进行传热过程模拟，结果表明，非对称结构的多孔材料具有热整流效应。进一步的导热系数测试显示，材料在正反两个方向上具有不同的导热系数。通过对多孔材料孔尺寸、孔隙率的不对称程度设计调节，可以调控材料的热整流性能，热整流比可达到38%。Janus颗粒稳定乳液制备多孔材料的方法简便易操作，可以实现批量制备。模型实验证明，具有热整流效应的材料可以定向调控模型房子内部温度与热量传递（图3）。

图3 Janus多孔材料的热整流性质与定向热能调控性能。(a)Janus多孔材料的传热模拟；(b) 不同方向导热系数；(c) 多孔材料非对称性调控热整流性能；(d-e) Janus多孔材料于热台上以不同方向加热，其上表面温度变化；(f) 大尺寸制备多孔材料；(g) Janus多孔材料的定向热能管理示意图；(h) 室外测试定向热能调控性能。

  在非对称的热传导之外，非对称的辐射性能也是实现定向热能调控的重要途径。非对称的可见光反射/吸收设计，常见于制备动态与长效被动辐射冷却/加热材料。目前的研究通常孤立辐射与热传导的贡献，使得定向热能调控性能受限。据此，利用Janus颗粒稳定乳液制备多级多孔材料的策略，可以方便地调控并组合设计材料的非对称特性。于小孔层引入良导热、高可见光吸收率的还原氧化石墨烯（rGO）纳米片，制备具有双重非对称结构（双Janus结构）的多孔材料，实现了定向热能调控性能的进一步提升。

图4 双Janus结构多孔材料的光热非对称性。(a) 单Janus与双Janus结构多孔材料的光热非对称性；(b-d) 各多孔材料在近地面太阳辐射波段的反射率；(e-f) 双Janus结构多孔材料不同侧在模拟日光照射下，上表面的热红外成像与温度变化。

  通过小孔层引入rGO，可以显著降低该层的近地面太阳辐射波段的反射率。结合另一侧多孔材料在该波段的高反射率，形成了显著的光辐射非对称性。近地面太阳辐射波段的平均反射率差可以达到80%。在模拟日光照射下，样品呈现明显的非对称光热效应（图4）。

  同时，由于rGO被引入小孔层，该层热导率得以提升，热整流性能进一步提高。在导热系数的平面热源法测试中，表现为样品受热侧温度探头的温度升高速率的差异扩大，即散热能力差异扩大。双Janus结构材料的热整流比可以达到122%，在宏观热整流材料中较为优异。且材料整体热导率仍较低，可适用于保温、隔热优先的应用场景（图5）。

图5 双Janus结构多孔材料的热整流性能。(a) 平面热源法测试导热系数示意图；(b) 双重非对称性对热整流性能的优化示意图；(c–e) 样品受热侧探头温度变化；(f) 各非对称多孔样品的正反向导热系数；(g) 热整流性能对比；(h) 各均匀孔多孔样品导热系数。

  结合光辐射非对称与热传导非对称性，可以显著提高材料的定向热能调控能力。在模拟日光照射下，样品以正、反方向放置的上表面温度差异随着双重非对称性的引入与提高而扩大，其下表面也具有相同趋势，表明双Janus结构多孔材料的定向热能调控能力得到了提高（图6）。结合材料自身的热整流性能，材料在夜间也具有定向热能调控的能力，这在室外测试的结果中得到证实。此外多天气状况下，如多云天、雨雾天，双Janus结构材料仍可表现出定向热能调控作用。这对于利用周期性变化的单一热源转变为可利用温差与热机驱动力具有重要意义，为定向热能管理与热能利用提供了新思路。

图6 双Janus结构多孔材料的定向热能调控性能。(a) 大面积样品照片；(b) 模拟日光测试装置示意图；(c) 双Janus结构多孔材料的定向热能调控示意图；(d–f) 模拟日光照射下，各样品正、反向放置时的上表面温度变化；(g–h)非对称多孔材料正、反向放置时的下表面温度变化；(i) 各样品定向热能调控性能对比。

  该工作得到了国家自然科学基金（U22A20252,52173076）、北京市自然科学基金（Z240030,L248023）的支持。

  原文链接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-025-60792-4

  https://www.nature.com/articles/s41467-026-69140-6