光热调控材料能够通过调节材料对太阳辐射和热辐射的响应，实现对光与热的协同管理，在建筑节能、人体热管理、车辆热管理和安全防护等领域具有广阔应用前景。光热调控材料通过调节材料在紫外、可见、近红外和中红外等波段的反射、透射、吸收和发射特性，实现对热传递过程和光学功能的调控。根据调控方式不同，光热调控材料可分为被动式和主动式两类：前者依靠材料本征结构实现固定光谱响应，后者可通过外界刺激动态调节光热性能。近年来，随着辐射制冷、电致变色等技术的发展，光热调控材料取得了快速进展。

然而，现有研究通常以材料组成和微观结构优化为核心，通过“材料构筑—光谱调控—性能验证”的路径提升性能。随着材料向实际应用发展，仅优化单一光热指标已难以满足复杂应用需求，还需要综合考虑应用场景中的热边界条件、光谱需求、耐久性、制造工艺、成本和系统集成等多重因素。因此，如何建立应用需求与材料设计之间的系统联系，成为推动光热调控材料从实验室研究走向实际应用的重要挑战。

针对这一问题，清华大学化工系张如范副教授团队基于化学产品工程理念，提出了由应用需求驱动的光热调控材料设计思想。化学产品工程以产品功能和应用需求为导向，将化学工程中的结构调控、过程设计和工程放大理念引入功能材料开发，强调建立“组成—结构—过程—性能—应用”之间的系统关联，实现材料设计、制备过程与最终应用性能的协同优化。基于这一理念，团队将光热调控材料开发过程归纳为“应用需求分析—光热调控性能设计—功能基元组装—性能验证与评价”四个相互关联的阶段。

面向光热调控材料的化学产品工程设计思路

首先，根据具体应用场景中的光照条件、传热路径和服役环境，将实际需求转化为光学、热学及工程性能指标；随后，通过光谱解耦设计明确不同波段的调控目标，实现对反射、透射、吸收和发射等光热参数的精准调控。在材料构筑阶段，团队依据“组成—结构—光谱—功能”之间的构效关系，将不同材料组分视为承担特定功能的功能基元，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设计，实现多功能单元的有序组装。同时，该设计逻辑进一步融合配方工程、界面工程、过程强化和尺度放大等化学工程思想，关注混合、传质、传热、成膜和固化等制备过程对材料结构形成和性能稳定性的影响，建立“工艺条件—结构演化—光谱响应—产品性能”之间的关联。

面向实际应用，团队进一步开展规模化制备和工程验证，通过优化关键工艺参数、建立稳定制备窗口，实现光热调控材料从实验室研究向规模化制造的拓展，并综合评价材料的光热性能、耐候性、可靠性、可制造性和应用适配性。当实际性能与设计目标存在差异时，评价结果可反馈至材料组成、结构设计和制备过程，形成持续优化的闭环设计模式。

研究成果以“光热调控材料：从应用需求到多功能材料实现的化学产品工程设计逻辑”（Optical-Thermal Regulation Materials: A Product-Engineering Design Logic from Application Demands to Multifunctional Material Realization）为题，于9月25日在线发表于《材料研究述评》（Accounts of Materials Research）。

清华大学化工系2023级博士生赵卓菁、黄娅为论文共同第一作者，清华大学化工系张如范副教授为论文通讯作者。

研究得到中国石油科技创新基金研究项目、鄂尔多斯实验室等基金的支持。

论文链接：

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