近日，清华大学化工系张如范副教授团队的AMR述评文章“Optical-Thermal Regulation Materials: A Product-Engineering Design Logic from Application Demands to Multifunctional Material Realization”在线发表。文章基于化学产品工程理念，系统探讨了光热调控材料从光谱设计、材料构筑到工程实现中的多尺度设计问题，并提出以应用需求为起点、融合精准光谱逆向解耦、功能基元组装、过程优化与工程验证的光热调控材料设计逻辑。

关键词：光热调控材料；化学产品工程；辐射制冷；电致变色

原文提要：“To address this gap, we extract a transferable product-engineering design logic that starts from application-demand analysis and sequentially defines optical-thermal regulation strategies, material, structural, and device construction, and multifunctional integration and validation.”

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文章内容简介

光热调控材料是通过调节材料的光学性质和热辐射性质实现光学功能调控和有效热管理的新型功能材料，在建筑节能、车辆热管理、人体热舒适及安全防护等领域展现出广阔应用前景。但如何从实验室的小试级别放大至实际规模应用，仍是该领域面临的核心挑战。传统研究多聚焦于组成、微纳结构与光谱响应优化，以提升本征性能为目标。然而，单一性能最优并不直接等同于应用最优。实际光热调控体系往往同时受到热边界条件、环境传热过程、材料稳定性、制造尺度、工艺窗口、成本及系统集成方式等多重因素约束。为突破这一设计瓶颈，我们将化学产品工程理念引入光热调控材料设计思想之中，系统探讨了从光谱设计、材料构筑到工程实现过程中的多尺度设计问题。

本述评主要系统回顾了我们课题组近年来将化学产品工程理念转化为光热调控材料设计逻辑的探索历程。区别于传统以过程优化为核心的化学工程模式，化学产品工程更加强调从产品功能和应用需求出发，将材料组成、结构设计、制备过程和最终性能进行系统关联。基于此，我们提出以应用需求为起点、结合精准光谱逆向解耦、功能基元组装、过程优化和工程验证为核心步骤的光热调控材料设计逻辑。该逻辑包含四个相互耦合的层次。

具体包括：（1）在应用需求分析阶段，从具体使用场景出发，系统分析光照条件、传热路径、环境条件和服役需求等边界因素，将复杂应用需求转化为明确的光学、热学及工程性能指标，建立需求与指标之间的映射关系。（2）在光谱逆向解耦阶段，根据不同波段在能量传递过程中的功能需求，对太阳光谱和热辐射过程进行分波段调控，通过精准设计材料在不同波段的反射、透射、吸收和发射特性，完成目标光谱构筑与选择性调控，并确定被动、主动或混合调控方式，实现多波段功能的解耦与协同。（3）在功能基元组装阶段，依据“组成—结构—光谱—功能”之间的构效关系，将不同材料组分设计为承担特定光学或热学功能的功能基元，并通过颗粒尺度、孔结构、界面结构、层级结构及器件构型的协同调控，实现跨尺度单元的有序组装与耦合；同时结合混合、分散、传质、传热、流动、成膜、相分离、固化及界面反应等实际过程，构筑目标微观结构并实现预期光热性能。（4）在性能验证与评价阶段，综合考察材料的光热调控能力以及耐候性、可靠性、可制造性、安全性、规模放大能力、系统兼容性和实际应用适配性，并将评价结果反馈至材料设计和制备过程，形成闭环迭代。

这一设计逻辑将材料科学中的光谱设计与微结构调控，与化学工程中的传递过程、过程控制、尺度放大及产品评价相结合，推动光热调控材料从单一性能优化向面向应用需求的产品化设计发展。我们期望本文概述的设计策略能为致力于光热调控材料研究的人员提供启发。

图1. 面向光热调控材料的化学产品工程设计思路。

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AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们选择进入光热调控领域，最初是因为关注到全球变暖与制冷节能之间的能耗冲突。极端天气频发，空调使用大幅增加，而光热调控技术能够在低能耗甚至零能耗的情况下实现对温度的有效调控，可以为减少全球变暖带来的碳排放做出贡献。之后又发现，光热调控材料可以扩展到多个波段，就基于该技术做了一些更有意思的研究，和我们组之前的碳管纤维结合，做了电致发光纤维、结构色纤维等等。随着研究的深入，我们发现光热调控材料非常适合进入产业化，因为它符合大家对智能控温、智能功能的需求，但产业化时需兼顾光热调控性能与实用性能。因为我们组有化工背景，在研究中就引入了化学产品工程这一新兴的化学工程思想，指导我们组光热调控材料的设计。这个思想的精髓就在于先分析应用场景要什么——需要制冷、加热，还是智能显示，然后将光谱进行多波段解耦设计，用不同的材料和结构构筑器件，同时考虑实用和规模化的需求。

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AMR：您对这个领域的发展有何愿景？

作者团队：

未来光热调控材料的研究应着力于更加重要的方向，尤其是面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康的重要方向。光热调控材料与人民大众的生活需求高度契合，尤其在炎热天气下，若建筑或车辆采用光热调控材料，如涂料、智能窗等，人们的舒适感将大幅提升，空调能耗也能显著降低。今后光热调控材料的发展应更加注重与产业化接轨，将化学产品工程理念贯穿于材料研发、过程放大和产品评价的全链条。

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AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

从化学产品工程的角度看，光热调控材料的研究正从性能优化转向实际应用。我们认为以下四个方向尤其值得关注。

首先是推动光热调控材料的可规模化生产。小试阶段获得的光热调控性能，往往在放大过程中因涂布不均匀、分散不稳定、界面缺陷或固化应力等问题而显著衰减。如何建立工艺条件与产品性能之间的定量关联，实现批次一致性与规模放大，正是我们提出的化学产品工程理念指导下的光热调控材料设计逻辑可以重点突破的方向。这需要结合传质、传热与过程强化等化工过程，开展更系统的过程工程研究。

其次是大胆推进跨学科交叉研究。光热调控材料本身横跨光学、热学、材料与化工，具有高度的交叉属性；未来还需要与柔性电子、纺织工程、建筑工程、数据科学等领域深度融合，通过深度交叉与碰撞，激发光热调控领域新的发展方向。

第三是更极端的使用环境与服役调节。实际应用场景远比实验室条件复杂：高温、高湿、强紫外、盐雾、机械形变、温度循环等都可能改变材料结构与光谱响应。可进一步建立加速老化与寿命预测方法，揭示材料在极端环境下的失效机制，并实现服役过程中的动态调节。

最后是引入大模型辅助材料构筑。面对多波段光谱目标与复杂应用约束，传统试错法效率有限。将高通量制备、光谱表征与机器学习、大语言模型结合，可以加速从目标光谱到材料组成与结构的反向筛选，优化配方与工艺窗口，并辅助建立跨尺度构效关系。

总体而言，光热调控材料研究空间广阔，发展潜力显著。关键在于能否凝练真正的科学问题，做高水平、有意义、有价值的研究。

通讯作者简介

张如范，清华大学化学工程系长聘副教授、特别研究员、博士生导师，入选国家高层次青年人才计划。研究领域主要涉及纳米碳材料与光热调控纳米材料的可控合成、性能表征及应用探索。累计发表学术论文164篇，其中以第一作者或通讯作者在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Advanced Materials等国际权威期刊发表论文一百余篇。曾获中国纺织工业联合会科学技术奖自然科学奖一等奖（2026）、第五届青山科技奖（2026）、中国颗粒学会自然科学一等奖（2024）、中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖（2025）、中国石油和化学工业联合会“青年创新奖”（2024）等多项奖励。

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Optical-Thermal Regulation Materials: A Product-Engineering Design Logic from Application Demands to Multifunctional Material Realization

Zhuojing Zhao^#; Ya Huang^#; Rufan Zhang*

原文链接：

https://doi.org/10.1021/accountsmr.6c00233

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