近年来，随着全球气候变暖和城市热岛效应不断加剧，建筑降温所消耗的能源持续攀升。据统计，建筑能耗约占全球总能耗的40%，其中相当一部分用于空调制冷系统。因此，开发无需额外能源输入、能够实现持续降温的被动冷却材料，已成为材料科学与建筑工程领域的重要研究方向。

  近日，美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）杨澍（Shu Yang）教授团队提出了一种受大象皮肤启发的多孔裂纹水泥材料，通过“可编程裂纹网络”实现水分的高效捕获、定向传输与持续蒸发，从而显著提升被动蒸发冷却性能。

【图1：论文首页截图】

  蒸发冷却是一种利用水蒸发带走热量的经典降温方式，但在实际工程应用中往往效率受限。一方面，水滴在传统建筑材料表面容易发生反弹或快速流失，润湿区域分布不均，水分停留时间较短，导致蒸发过程难以持续。另一方面，许多现有蒸发冷却系统依赖循环水或管道输水，在长期运行过程中容易受到水质影响，例如硬水中的矿物沉积（结垢）会逐渐堵塞输运通道，降低系统效率，因此通常需要较高水质或额外维护成本。

  为了解决上述问题，研究团队从自然界中获得灵感。如图2所示，大象皮肤表面具有复杂且高度互连的裂纹网络结构，这些裂纹不仅能够快速捕获水分，还可以通过毛细作用引导水在表面横向甚至在倾斜表面上扩散，从而延长水分停留时间并增强蒸发散热能力。受此启发，研究团队提出将“裂纹”从传统意义上的结构缺陷，转变为一种可设计、可调控的功能性输运网络。

【图2:仿生大象皮肤启发的多孔裂纹结构与水分传输机制】

  在材料设计方面，研究采用硅藻土（Diatomaceous Earth, DE）与水泥构建复合体系。硅藻土具有天然的微纳孔结构和亲水表面，能够实现超快速水分吸收并显著提升材料的储水能力，而水泥基体则提供必要的力学支撑，使材料具备实际工程应用的稳定性。如图2, 3所示，在制备过程中，材料首先经历预水化阶段形成初始结构，随后在干燥过程中，由于收缩与基底约束之间的竞争产生裂纹。这一过程可以通过力学模型描述：当干燥收缩诱导的拉应力超过材料断裂强度时，裂纹开始形成，并呈现出与材料厚度及界面摩擦相关的特征尺度。

【图3:多孔水泥中毛细驱动裂纹形成机制与结构演化】

  该研究的关键突破在于实现了裂纹的“可编程控制”。传统水泥在干燥过程中形成的裂纹通常是随机的，而本研究通过在基底引入特定几何结构（如三角形凸起）人为制造应力集中区域，从而引导裂纹沿预设路径形成。如图4所示，随着基底结构复杂度的提高，裂纹逐渐由随机分布转变为规则排列，最终形成高度可控的裂纹网络结构。该方法不仅显著减少了随机裂纹的产生，还能够在干燥过程中有效释放残余应力，从而提高结构稳定性。

【图4:基底引导实现裂纹网络的可编程调控】

  在功能性能方面，该材料通过“孔隙结构+裂纹网络”的协同作用，实现了高效的水分捕获与传输。如图5所示，在水滴冲击实验中，传统水泥表面会出现明显反弹，而含硅藻土的复合材料能够迅速吸收水分并增强横向铺展能力。在持续供水条件下，裂纹网络作为“水分通道”实现快速分布，而多孔基体则进一步储存水分，从而维持持续的蒸发过程。

【图5:裂纹与孔隙协同作用下的水分吸收与传输行为】

  进一步研究表明，裂纹网络的几何结构对水分输运和蒸发行为具有重要影响。中等密度的六边形裂纹网络在水分横向分布均匀性、排水延迟以及蒸发持续时间方面表现最佳。此外，该材料在倾斜表面上仍能够实现有效的水分保持和逆重力输运，表现出类似生物系统的毛细驱动行为。

  如图6所示，研究团队将该结构制备成实际尺寸的建筑瓦片（tile），并在模拟屋顶系统中进行测试。在相同供水与加热条件下，该材料可将温度降低至约32°C，而传统水泥材料温度则高达52°C，显示出显著的降温效果。更重要的是，红外热成像结果揭示了其独特的蒸发机制：蒸发过程主要集中在裂纹边缘区域，形成“边缘主导蒸发（edge-dominated evaporation）”。这种结构能够维持更长时间的第一阶段蒸发（Stage I，毛细供水主导），并延缓进入受扩散限制的第二阶段蒸发（Stage II），从而实现更持久且稳定的冷却效果。这一发现从机理上解释了裂纹网络在延长蒸发时间和增强降温性能中的关键作用。

【图6：裂纹结构调控下的蒸发机制与被动降温性能】

  总体而言，该研究提出了一种基于仿生理念的创新材料设计策略，将传统上被视为缺陷的裂纹转变为可调控的功能结构，并与多孔材料特性相结合，实现了水分的高效捕获、定向传输与持续蒸发。这一策略不仅具有低成本、可规模化制造以及良好的工程兼容性，还在绿色建筑、城市降温及节能减排等领域展现出广阔的应用前景。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202523133

  作者团队简介：通讯作者：杨澍，宾夕法尼亚大学，材料科学与工程系主任，教授 课题组团队：杨澍课题组常年致力于运用物理、化学、机械和生物学底层原理，研究多材料复合体系的合成、纳米/微米组装和装置加工。课题组的研究涵盖了应激可折叠软材料，智能家居，异质分子可变网络，像素伪装，仿生柔性机械，可逆强力胶，可穿戴设备等。