第一作者：Mohsin Ali Badshah

通讯作者：Alon A. Gorodetsky

通讯单位：加州大学欧文分校

研究背景

可持续食品和饮料包装技术的发展一直是一个关键的社会问题，能够在全球范围内影响公众健康、经济增长和整体安全。实际上，先进的包装不仅在储存过程中容纳和保护食品和饮料，而且还简化了配送物流，增强了消费者信心。在最广泛使用的食品和饮料包装部件中，比较突出的是金属化薄膜，通常用于装运箱衬里、食品盖、零食包装和饮料容器。这种金属化薄膜通常通过标准的工业技术制造，并且可以很容易地改变用途或回收利用。当集成到包装中时，薄膜可以通过减少化学降解或微生物污染来延长货架寿命，有助于确保包装内一致的内部热环境，甚至在微波烹饪过程中发挥重要作用。

近年来，大量技术都需要材料在苛刻的真实世界热管理场景中显示出巨大的应用前景。包括可变发射率的相变材料、可调的准表面、红外电致变色装置、便携式加热和制冷系统以及弹性或气动致动器。这其中，课题组一直专注于设计具有用户可调红外或温度调节功能的生物灵感平台。基于此，观察了普通鱿鱼独特的皮肤，对于这种皮肤，外观的变化在一定程度上是由于嵌入的器官（称为着色团）在收缩和扩张状态之间进行肌肉控制的切换（图1c）。研究人员设计了可重构的金属化复合材料，其红外反射率和透射率的变化是由拉伸引起的表面金属域在邻接态和分离态之间的转换造成（图1d）。然而，目前存在的问题在于，对于这些先前报道的复合材料，仍没有开发可扩展和模块化的大面积制造方法，详细研究其宽带中红外功能的基本机制，探索其驱动稳定性和稳健性的限制，或者在要求苛刻的封装应用中展示其计算可预测的性能。

图1. 热量管理食品和饮料包装以及仿鱿鱼皮的动态温度调节复合材料。

成果简介

近日，加州大学欧文分校Alon A. Gorodetsky报道了以鱿鱼皮为灵感的可持续热管理复合材料，其具有饮料容器和食品包装应用所需的关键特性。

1）首先通过工业相关的制造技术，以低成本的商业原材料，在廉价的基板上制备了具有可变形状因子的大面积复合材料。

2）研究人员接下来证实了复合材料的机械可重构形态，并展示了它们在宽光谱范围内的可调红外功能以及经过反复机械循环后的稳定性。

3）随后通过实验展示了大面积复合材料在多种封装相关场景下的动态热管理能力，并通过理论计算进一步验证了这一点。

这项研究所开发的自适应红外复合材料有望成为包装应用中常规使用的静态红外反射金属化薄膜的可行替代品。

要点1：大面积复合材料的规模化和模块化制造

研究人员制造了由嵌入可拉伸弹性体基质中的纳米结构金属膜组成的大面积复合材料。为了制备纳米结构薄膜，在柔性铝箔衬底上沉积了红外反射的平面Cu层，然后在这些平面层的顶部生长了直立的柱状Cu纳米结构。此外，为了制备复合材料，将红外透明的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）聚合物基质直接喷涂到基板结合的纳米结构薄膜上，然后将所得到的结构从其底层基板上干净地剥离。相应的数码相机照片和扫描电子显微镜图像显示，这种复合材料具有断裂的金属表面，但同样，相对均匀。整个过程可以在几个小时内完成，只需经过最低限度培训的人员即可完成，所需的初始材料价格低廉，估计成本约为10万美元，并可靠地生产出总面积超过560 cm²的自支撑复合材料。此外，研究人员继续加大研究，成功制造出具有拱形形状的单个复合材料和以毯状结构连接的多个复合材料的具有理想形状系数的大面积复合材料，突出了改进后的工艺的多功能性、模块化和可扩展性。

附图. 大面积复合材料制造的示意图。

要点2：可重构大面积复合材料的自适应红外功能

研究人员评估了复合材料的机械性能和表面形态。数码相机照片和工程应力应变曲线显示，弹性复合材料很容易承受大的变形，杨氏模量约为1.8±0.1 MPa，断裂应变约为810±10%（图2a, b）。SEM图像显示，复合材料的表面从类似于由邻接畴（其完全覆盖下面的红外透射SEBS基质）组成的几乎连续的红外反射铜层转变为类似于由分离的金属畴（其部分暴露SEBS基质）组成的断裂铜层（图2c）。综合观察表明，大面积复合材料将表现出自适应红外功能和良好的机械稳定性。

图2. 大面积复合材料的力学性能和表面形貌。

研究人员接下来研究了复合材料在机械驱动前后如何与中红外区域内的入射光相互作用，如图3a所示。图3 b–e显示了复合材料在不同应变下获得的代表性总红外反射率和透射率光谱，以及从光谱中计算出的相应平均值。在施加0%的应变时，光谱显示约99±1%的高总反射率（图3b）和约2±1%的低总透射率（图3c）。在施加30%的应变时，光谱显示总反射率降低了约78±2%（图3b），总透射率增加了约11±1%（图3c）。施加50%的应变时，光谱显示总反射率进一步降低约68±2%（图3b），总透射率进一步增加约20±1%（图3c）。一般而言，对于≤100%的应变，观察到的总反射率和透射率趋势保持一致（图3d，e）。研究人员进而评估了复合材料如何在最佳红外范围内镜面反射和漫反射入射光，一般而言，对于≤100%的施加应变，镜面反射和漫反射成分的观察趋势保持不变(图3d)。

最后，研究人员测试了复合材料在反复机械驱动下的稳定性。对于相同的应变，在1000次应变循环后，平均总反射率降低了约21±2 %，平均总透射率增加了约10±1 %。值得注意的是，在1000、5000和10000次应变循环后，复合材料的总反射率和透射率的变化仍然相当。这些观察结果进一步突出了大面积复合材料优异的机械强度，这是包装应用的一个关键考虑因素。

图3. 大面积复合材料的自适应红外功能。

要点3：包装应用中大面积复合材料的动态热管理特性

通过在有和没有机械驱动的保护热板上进行标准化热测试，研究人员评估了复合材料的可调热管理能力，如图4a所示。代表性复合材料的热测量显示，在施加30%的应变后，热通量从约214 变为约244 W·m²（图4b）。相比之下，典型的金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯（Mylar）板材（即商业空间坯料40-42）的热测量显示热通量约为210 W·m^-2，无法进行动态调节（图4b）。随着应变的增加，随着应变的增加，观察到的复合材料的热通量变化从约11±3增加到约22±3到约29±3 W·m²（图4c）。

图4. 大面积复合材料的可调热管理特性。

研究人员继续在另一个实际场景中评估复合材料的温度调节性能，通过监测它们对装满热饮料的一次性纸杯的冷却效果，如图5a所示。结果显示，对于覆盖有非致动复合材料的咖啡杯，温度在1-2h内大幅下降（图5b)，外部和内部冷却速度分别约为−(93.5±2.6)×10⁻⁴ 和−(96.7±2.3)×10⁻⁴ °C min⁻¹。90 min后，该覆盖杯与类似的裸杯之间的外部和内部温差分别稳定在~3.9±0.3和~4.8±0.3 ℃（图5c, d）。而对于覆盖着由30%应变驱动的复合材料的咖啡杯，温度在1-2 h内甚至下降得更快，外部和内部冷却速度分别约为−(98.6±4.3)×10⁻⁴和−(102.1±1.3)×10⁻⁴ °C⁻¹。90分钟后，该覆盖杯与类似的裸杯之间的外部和内部温差分别稳定在~2.6±0.3和~3.1±0.2 ℃（图5c，d）。对于复合材料覆盖的杯体，随着施加到复合材料上的应变的增加，冷却速度增加，而温差减小（图5）。

图5. 大面积复合材料在饮料包装应用中的动态温度调节能力。

小结

研究人员制造并研究了仿鱿鱼皮的具有可调热管理性能的大面积复合材料。

1）利用电子束蒸发、喷涂和分层等可伸缩技术在可回收铝箔衬底上制备了矩形、拱形和毯状复合材料。

2）首次通过量化红外光的镜面反射和漫反射之间的相互作用，全面揭示了形态可重构复合材料的结构-性能关系。

3）研究人员发现复合材料在不可逆破坏之前经受住了极大的变形，即使在10000次应变循环后仍保持了可调的红外功能。

4）展示了单个复合材料在标准化条件下的可调热管理能力，并对实际包装相关配置中的毯状复合材料的热管理能力进行了基准测试。

5）展示了复合材料可预测地调节模型热饮料及其容器的温度的能力。

这种温度调节性能有望使复合材料影响全球市场，每年约1000亿美元，并提高消费者的日常热饮料消费体验。

参考文献

Badshah, M.A., Leung, E.M., Liu, P. et al. Scalable manufacturing of sustainable packaging materials with tunable thermoregulability. Nat Sustain (2022)

DOI：10.1038/s41893-022-00847-2

https://doi.org/10.1038/s41893-022-00847-2