随着通信基站、车载电子和户外电源等设备功率密度持续提升，其服役环境日益复杂，往往同时面临太阳辐照、高温积热和机械振动等多重载荷。传统热管理材料通常侧重于导热增强或辐射降温，而传统防护材料则主要关注抗冲击和能量耗散，两类功能之间往往相互割裂。如何在同一材料体系中实现高效散热与动态冲击防护的协同，已成为保障户外设备安全运行和发展绿色低碳热管理技术亟需解决的关键问题。

  鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受贝壳珍珠层砖泥结构启发，提出了一种异质自组装冲击硬化界面设计策略。该研究以二维纳米片构筑有序砖相，以剪切变硬胶作为动态泥相，通过长程有序组装与界面动态交联，建立了兼具热调控和力学防护能力的仿生界面体系。

  2026年6月22日，相关研究成果以“Collaborative passive cooling of impact-hardening interfaces enabled by nacre-mimetic design”为题，发表在国际Top期刊《Nature Communications》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生李子木，通讯作者为龚兴龙教授与王胜副教授，火灾安全全国重点实验室的胡源教授对部分工作给予了指导，研究工作的其他贡献者还有刘帅博士、吴建鹏博士、王文慧博士、张镇涛、段世龙、戚良元。

【仿珍珠层结构设计与多功能集成】

  天然珍珠层能够兼具高强度和高韧性，关键并不在于单一组分本身，而在于硬质砖相与软质泥相之间形成的多级界面协同结构。受此启发，本研究将仿珍珠层结构思想引入力-热耦合防护界面设计中，通过有序硬相构筑连续传热和载荷承载路径，并利用动态软界面实现变形缓冲、能量耗散和应力传播调控。在热学层面，层状有序结构可减少热流在多相界面中的无序散射，使热量沿预设方向快速扩散。在力学层面，动态界面在低速变形下保持柔顺，而在高速冲击下因分子链松弛滞后和动态键暂时冻结而迅速硬化，从而实现平时柔顺、冲击变硬的自适应防护。

图1

【各向异性热传导与极端热稳定性】

  在热传导调控方面，无序均质体系中的热流通常会在多相界面处发生散射、偏转和局部滞留，导致热量难以高效传递。相比之下，仿珍珠层砖泥结构中的片层取向能够形成连续的面内热传输通道，使热流沿层内方向定向扩散，同时抑制厚度方向的热泄漏，实现热流路径的结构化设计。此外，多级界面和无机骨架有助于在高温环境下维持结构连续性，降低热冲击诱发的界面失效、层间脱粘和承载路径中断风险，使材料在高温和热冲击条件下仍能保持稳定的热传输网络和力学承载能力。

图2

【被动辐射冷却与城市节能模拟】

  在被动辐射冷却方面，高效降温并不仅仅是降低材料温度，而是需要同时调控热输入与热输出。一方面减少太阳辐射吸收，降低外界热流输入。另一方面增强中红外辐射发射，使内部热量通过大气窗口向外释放。该仿珍珠层界面通过有序结构增强多尺度光散射，提高太阳光谱反射能力，同时利用动态界面网络优化红外辐射传输，促进热量向外释放。由此，该策略在热流输入端形成太阳反射屏障，在热流输出端形成红外辐射通道，并与面内导热路径共同构成被动热管理闭环，展现出在户外建筑、通信设施和电子装备热管理中的应用潜力。

图3

【动态冲击防护与闭环回收机制】

  在动态冲击防护方面，当外部冲击作用于仿珍珠层界面时，冲击波首先在有序硬相中传播，并被分散至更大区域，从而避免载荷集中于局部点位。随后，软质动态界面发生剪切变形、层间滑移和瞬时硬化，并通过动态键断裂重构、界面摩擦和裂纹偏转等机制耗散冲击能量。与均质结构中应力集中和裂纹直线扩展不同，仿珍珠层异质结构能够诱导裂纹路径弯曲、分叉和钝化，使破坏过程由快速贯穿转变为多阶段渐进耗能。有限元结果进一步表明，该结构能够降低背面应力集中并延长冲击缓冲时间，本质上是通过应力扩散、界面耗能和裂纹调控的多级协同机制削弱载荷传递，同时动态界面的可逆作用也为损伤后的结构重构和闭环回收提供了可能。

图4

【夹层式界面的力-热协同防护应用】

  进一步地，本研究基于该策略构建了夹层式力-热协同防护结构，实现了不同层次热学功能和力学功能的空间分工。其中，外层界面主要负责反射太阳辐射、向外辐射散热并沿面内扩散热量。中间动态层则作为热阻隔层和冲击缓冲层，削弱热流与冲击力向被保护对象的直接传递。在热学上，中间层能够增加温度梯度，使外层更有效地向环境释放热量。在力学上，中间层能够延长冲击作用时间，降低瞬时峰值载荷，并与外层承载结构共同实现多级耗能。该夹层式结构可面向电池系统、户外电子器件和通信设备等应用场景，为同时承受热载荷和力学冲击的装备提供一体化防护方案。

图5

  总体而言，本研究提出了一种面向复杂服役环境的异质自组装冲击硬化界面设计策略，建立了力-热耦合防护的结构化设计方法。从热管理角度，该策略通过有序结构实现太阳反射、红外发射和各向异性导热的协同。从力学防护角度，该策略通过动态界面实现应力重分布、冲击硬化和能量耗散的协同。该方法为突破传统热管理材料与抗冲击材料功能割裂的问题提供了新的思路，也为户外电子设备、通信设施和电池系统的多场耦合防护提供了可推广的仿生结构设计范式。

  原文链接：

  Zimu Li, Sheng Wang*, Shuai Liu, Jianpeng Wu, Wenhui Wang, Zhentao Zhang, Shilong Duan, Liangyuan Qi, Yuan Hu, Xinglong Gong*. Collaborative passive cooling of impact-hardening interfaces enabled by nacre-mimetic design. Nature Communications 2026, 10.1038/s41467-026-74755-w.

  https://doi.org/10.1038/s41467-026-74755-w