建筑能耗占全球总能源消耗的约40%，其中大量能量因围护结构（尤其是窗户）无法有效被动维持室内热舒适而被浪费。尽管窗户仅占建筑表面积的8%–30%，却贡献了近50%的热量损失。现有透明隔热方案如纤维素或二氧化硅气凝胶、真空玻璃等受限于规模化制备难、密封性差和成本高等问题。传统气凝胶因孔径多分散（纳米至微米级），导致光学雾度高、透明度不足，且难以兼顾低热导率与高透光性。介孔材料虽可通过表面活性剂自组装实现高度有序、单分散的亚50 nm孔道，理论上可同时满足高透明度（孔远小于可见光波长）和超低热导率（孔小于空气分子平均自由程≈60 nm），但此前尚未实现建筑尺度（平方米级、厘米厚）的可控制备，其热-光性能也缺乏系统优化。因此，开发兼具优异光学透明性、超低热导率且可规模化制造的新型介孔光学透明隔热材料（MOCHI），成为实现建筑节能与可持续发展的关键突破口。
二、【创新成果】
基于此，美国科罗拉多大学博尔德分校Ivan Smalyukh教授团队在Science上发表了题为“Mesoporous optically clear heat insulators for sustainable building envelopes”的论文，报道了一种由聚硅氧烷介孔网络构成的超材料，该材料兼具高光学透明性和优异的热绝缘性能，可作为窗户隔热的有效替代方案。研究人员通过精准调控介观结构（孔径<50 nm）和固体含量，材料热导率降至10-12 mW·K-1·m-1（低于静止空气的27 mW·K-1·m-1），可见光透光率>99%，雾度<1%，显著优于传统玻璃（<92%透光率），打破了“透明即导热”的传统认知。在此基础上，研究人员成功制备墙体级MOCHI，热阻R≈2.64 m2·K·W-1（高于常规双层玻璃），并满足建筑采光与隔热的严苛标准。此外，研究人员还展示了MOCHI可高效收集非聚光型太阳能热能，为建筑围护结构从被动隔热转向主动能源生成提供新路径，有望推动建筑向“能源自给型”可持续系统转型。有趣的是，除通讯作者外，本文另外七位作者皆为共同第一作者。
三、【图文解析】
图1 大规模MOCHI超材料及其纳米级形貌 © 2025 AAAS
图2 MOCHI的光学性能 © 2025 AAAS
图3 MOCHI的隔热性能及其在中空玻璃单元中的应用效果 © 2025 AAAS
图4 利用MOCHI实现的太阳能热能收集 © 2025 AAAS
四、【科学启迪】
综上，本研究开发的MOCHI超材料首次实现了兼具超低热导率（<12 mW·K⁻¹·m⁻¹）、超高可见光透光率（>99%）、极低雾度（<1%）且可规模化制备至建筑尺度（平方米级、厘米厚）。其热性能超越静止空气，光学性能远超传统玻璃与气凝胶，打破了“透明即导热”的传统认知。通过EnergyPlus模拟证实，MOCHI不仅能将窗户面积提升近4倍而不增加能耗，还可将建筑转变为分布式太阳能热能生产单元。本研究融合了介观自组装、纳米限域传热、光学散射控制与绿色制造，为多孔材料设计提供了新范式，即通过精确控制孔径远小于光波长（~400 nm）和空气分子平均自由程（~60 nm），同步优化光-热性能。本研究标志着功能材料从“被动隔热”迈向“主动能源集成”的关键转折。
原文详情：Mesoporous optically clear heat insulators for sustainable building envelopes (Science 2025, 390, 1171-1176. DOI: 10.1126/science.adx5568)
本文由赛恩斯供稿。
