本研究由加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）林业学院生物制品研究所可持续功能生物材料实验室的Jiaying Zhu、Penghui Zhu（通讯作者）、Feng Jiang（通讯作者）团队主导，联合中国南京林业大学、美国密歇根州立大学等机构合作完成，于2025年发表在《Advanced Functional Materials》期刊（DOI: 10.1002/adfm.202510262）。

学术背景

该研究属于智能材料与建筑节能交叉领域。现代建筑中，照明和温控能耗占全球总能耗的40%，传统玻璃虽能透光但存在热积累、眩光、隐私泄露等问题。现有动态调光材料（如电致变色、热致变色材料）多依赖外部能源驱动，而湿度响应材料因环境兼容性成为研究热点。受自然界白屈菜（Diphylleia grayi）花瓣湿度响应结构的启发，团队旨在开发一种基于生物质材料、无需外部能源的动态调光薄膜，通过湿度驱动的表面褶皱结构变化实现光热调控。

研究流程与方法

1. 材料设计与制备

研究采用可扩展的溶液浇铸法，构建由纤维素纳米纤丝（Cellulose Nanofibril, CNF）层和聚乙烯醇-甘油（Polyvinyl Alcohol-Glycerol, PVA-Glycerol）层组成的双层薄膜。CNF层（5-15 wt.%）通过TEMPO氧化法制备，PVA-甘油层（甘油含量0-300%）通过溶液混合后涂覆于CNF层上。关键创新在于利用两层材料模量（modulus）和溶胀行为的差异：干燥时CNF层快速收缩产生压缩应力，引发PVA层屈曲形成微米级褶皱（波长≈4.5 μm，深度≈1.5 μm），而高湿度下两层溶胀平衡使褶皱消失（图2a-d）。

2. 性能表征与优化

• 光学性能：通过紫外-可见分光光度计（含积分球）测试薄膜在300-2500 nm波段的透射/反射率。结果显示，干燥状态（33% RH）下透光率仅20%（550 nm），散射率>75%；高湿状态（97% RH）透光率提升至80%（图2f, 4a）。
  
• 力学机制：动态蒸汽吸附（DVS）和石英晶体微天平（QCM-D）证实CNF层干燥速度是PVA层的5倍（图3a），导致界面应力积累。临界应力公式（σ_c=¹⁄₄(9Ē_c×Ē_p^2 )^(¹⁄₃)）显示CNF模量（8.6 GPa at 33% RH）主导褶皱形成（图3e）。
  
• 成分优化：通过调控CNF含量（10 wt.%）和甘油比例（100%），获得最佳性能（透光调制幅度60%，循环稳定性34次无衰减）（图3g-i）。
  

3. 应用验证

• 光热管理：在模拟夏日光照（1.0 kW/m²）下，薄膜覆盖的模型室内温度比普通玻璃低8.4°C（图5c），近红外（NIR）阻隔率达70%（图4f）。
  
• 能耗模拟：使用EnergyPlus软件对美国15个气候区的中型办公楼模拟显示，迈阿密地区年节能达7.0 MJ/m²（图5d-e）。
  

主要结果与逻辑链条

1. 褶皱动力学：湿度变化通过调控CNF与PVA层的模量差异（图3e）和粘弹性（图3f），实现可逆褶皱。干燥状态下CNF层高模量引发屈曲，高湿下PVA层塑性变形释放应力。
   
2. 光调控机制：褶皱结构通过米氏散射（Mie scattering）增强光扩散（图4c），而平整态实现直接透光。双向散射比（13:1）确保光线高效进入室内（图4a）。
   
3. 节能效应：光散射降低太阳热增益，同时高红外发射率（0.93）促进辐射冷却（图S22）。
   

结论与价值

该研究提出了一种全生物基、湿度驱动的智能调光薄膜，其核心价值在于：
1. 科学创新：首次利用CNF/PVA双层内应力自发产生动态褶皱，无需预拉伸或外部能源。
2. 应用潜力：为建筑节能提供低成本（材料成本<$5/m²）、可规模化（薄膜面积达176.6 cm²）的解决方案，兼具隐私保护与眩光控制功能。
3. 环境友好：全部采用可降解材料，生命周期碳排放比电致变色玻璃降低90%。

研究亮点

1. 仿生设计：模仿白屈菜花瓣的湿度响应机制，但通过力学失稳实现更快速的动态调节（20分钟响应）。
   
2. 跨尺度调控：微米级褶皱与CNF固有纳米粗糙度（图2c）协同优化光散射。
   
3. 鲁棒性：经120次湿度循环后界面粘接强度仅下降27%（图S4），且在80°C/80% RH下保持稳定（图S9）。
   

其他价值

研究通过多尺度模拟（从分子动力学到建筑能耗）验证了材料的普适性，并为其他刺激响应材料（如温度、pH响应）的设计提供了新范式。实验数据已开源，支持后续研究复现（Data Availability Statement）。