第一作者：Mohsin Ali Badshah
通訊作者：Alon A. Gorodetsky
通訊單位：加州大學歐文分校
研究背景
可持續食品和飲料包裝技術的發展一直是一個關鍵的社會問題，能夠在全球范圍內影響公眾健康、經濟增長和整體安全。實際上，先進的包裝不僅在儲存過程中容納和保護食品和飲料，而且還簡化了配送物流，增強了消費者信心。在最廣泛使用的食品和飲料包裝部件中，比較突出的是金屬化薄膜，通常用于裝運箱襯里、食品蓋、零食包裝和飲料容器。這種金屬化薄膜通常通過標準的工業技術制造，并且可以很容易地改變用途或回收利用。當集成到包裝中時，薄膜可以通過減少化學降解或微生物污染來延長貨架壽命，有助于確保包裝內一致的內部熱環境，甚至在微波烹飪過程中發揮重要作用。
近年來，大量技術都需要材料在苛刻的真實世界熱管理場景中顯示出巨大的應用前景。包括可變發射率的相變材料、可調的準表面、紅外電致變色裝置、便攜式加熱和制冷系統以及彈性或氣動致動器。這其中，課題組一直專注于設計具有用戶可調紅外或溫度調節功能的生物靈感平臺。基于此，觀察了普通魷魚獨特的皮膚，對于這種皮膚，外觀的變化在一定程度上是由于嵌入的器官（稱為著色團）在收縮和擴張狀態之間進行肌肉控制的切換（圖1c）。研究人員設計了可重構的金屬化復合材料，其紅外反射率和透射率的變化是由拉伸引起的表面金屬域在鄰接態和分離態之間的轉換造成（圖1d）。然而，目前存在的問題在于，對于這些先前報道的復合材料，仍沒有開發可擴展和模塊化的大面積制造方法，詳細研究其寬帶中紅外功能的基本機制，探索其驅動穩定性和穩健性的限制，或者在要求苛刻的封裝應用中展示其計算可預測的性能。
圖1. 熱量管理食品和飲料包裝以及仿魷魚皮的動態溫度調節復合材料。
成果簡介
近日，加州大學歐文分校Alon A. Gorodetsky報道了以魷魚皮為靈感的可持續熱管理復合材料，其具有飲料容器和食品包裝應用所需的關鍵特性。
1）首先通過工業相關的制造技術，以低成本的商業原材料，在廉價的基板上制備了具有可變形狀因子的大面積復合材料。
2）研究人員接下來證實了復合材料的機械可重構形態，并展示了它們在寬光譜范圍內的可調紅外功能以及經過反復機械循環后的穩定性。
3）隨后通過實驗展示了大面積復合材料在多種封裝相關場景下的動態熱管理能力，并通過理論計算進一步驗證了這一點。
這項研究所開發的自適應紅外復合材料有望成為包裝應用中常規使用的靜態紅外反射金屬化薄膜的可行替代品。
要點1：大面積復合材料的規模化和模塊化制造
研究人員制造了由嵌入可拉伸彈性體基質中的納米結構金屬膜組成的大面積復合材料。為了制備納米結構薄膜，在柔性鋁箔襯底上沉積了紅外反射的平面Cu層，然后在這些平面層的頂部生長了直立的柱狀Cu納米結構。此外，為了制備復合材料，將紅外透明的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）聚合物基質直接噴涂到基板結合的納米結構薄膜上，然后將所得到的結構從其底層基板上干凈地剝離。相應的數碼相機照片和掃描電子顯微鏡圖像顯示，這種復合材料具有斷裂的金屬表面，但同樣，相對均勻。整個過程可以在幾個小時內完成，只需經過最低限度培訓的人員即可完成，所需的初始材料價格低廉，估計成本約為10萬美元，并可靠地生產出總面積超過560 cm2的自支撐復合材料。此外，研究人員繼續加大研究，成功制造出具有拱形形狀的單個復合材料和以毯狀結構連接的多個復合材料的具有理想形狀系數的大面積復合材料，突出了改進后的工藝的多功能性、模塊化和可擴展性。
附圖. 大面積復合材料制造的示意圖。
要點2：可重構大面積復合材料的自適應紅外功能
研究人員評估了復合材料的機械性能和表面形態。數碼相機照片和工程應力應變曲線顯示，彈性復合材料很容易承受大的變形，楊氏模量約為1.8±0.1 MPa，斷裂應變約為810±10%（圖2a, b）。SEM圖像顯示，復合材料的表面從類似于由鄰接疇（其完全覆蓋下面的紅外透射SEBS基質）組成的幾乎連續的紅外反射銅層轉變為類似于由分離的金屬疇（其部分暴露SEBS基質）組成的斷裂銅層（圖2c）。綜合觀察表明，大面積復合材料將表現出自適應紅外功能和良好的機械穩定性。
圖2. 大面積復合材料的力學性能和表面形貌。
研究人員接下來研究了復合材料在機械驅動前后如何與中紅外區域內的入射光相互作用，如圖3a所示。圖3 b–e顯示了復合材料在不同應變下獲得的代表性總紅外反射率和透射率光譜，以及從光譜中計算出的相應平均值。在施加0%的應變時，光譜顯示約99±1%的高總反射率（圖3b）和約2±1%的低總透射率（圖3c）。在施加30%的應變時，光譜顯示總反射率降低了約78±2%（圖3b），總透射率增加了約11±1%（圖3c）。施加50%的應變時，光譜顯示總反射率進一步降低約68±2%（圖3b），總透射率進一步增加約20±1%（圖3c）。一般而言，對于≤100%的應變，觀察到的總反射率和透射率趨勢保持一致（圖3d，e）。研究人員進而評估了復合材料如何在最佳紅外范圍內鏡面反射和漫反射入射光，一般而言，對于≤100%的施加應變，鏡面反射和漫反射成分的觀察趨勢保持不變(圖3d)。
最后，研究人員測試了復合材料在反復機械驅動下的穩定性。對于相同的應變，在1000次應變循環后，平均總反射率降低了約21±2 %，平均總透射率增加了約10±1 %。值得注意的是，在1000、5000和10000次應變循環后，復合材料的總反射率和透射率的變化仍然相當。這些觀察結果進一步突出了大面積復合材料優異的機械強度，這是包裝應用的一個關鍵考慮因素。
圖3. 大面積復合材料的自適應紅外功能。
要點3：包裝應用中大面積復合材料的動態熱管理特性
通過在有和沒有機械驅動的保護熱板上進行標準化熱測試，研究人員評估了復合材料的可調熱管理能力，如圖4a所示。代表性復合材料的熱測量顯示，在施加30%的應變后，熱通量從約214 變為約244 W·m2（圖4b）。相比之下，典型的金屬化聚對苯二甲酸乙二醇酯（Mylar）板材（即商業空間坯料40-42）的熱測量顯示熱通量約為210 W·m-2，無法進行動態調節（圖4b）。隨著應變的增加，隨著應變的增加，觀察到的復合材料的熱通量變化從約11±3增加到約22±3到約29±3 W·m2（圖4c）。
圖4. 大面積復合材料的可調熱管理特性。
研究人員繼續在另一個實際場景中評估復合材料的溫度調節性能，通過監測它們對裝滿熱飲料的一次性紙杯的冷卻效果，如圖5a所示。結果顯示，對于覆蓋有非致動復合材料的咖啡杯，溫度在1-2h內大幅下降（圖5b)，外部和內部冷卻速度分別約為?(93.5±2.6)×10?4 和?(96.7±2.3)×10?4 °C min?1。90 min后，該覆蓋杯與類似的裸杯之間的外部和內部溫差分別穩定在~3.9±0.3和~4.8±0.3 ℃（圖5c, d）。而對于覆蓋著由30%應變驅動的復合材料的咖啡杯，溫度在1-2 h內甚至下降得更快，外部和內部冷卻速度分別約為?(98.6±4.3)×10?4和?(102.1±1.3)×10?4 °C?1。90分鐘后，該覆蓋杯與類似的裸杯之間的外部和內部溫差分別穩定在~2.6±0.3和~3.1±0.2 ℃（圖5c，d）。對于復合材料覆蓋的杯體，隨著施加到復合材料上的應變的增加，冷卻速度增加，而溫差減小（圖5）。
圖5. 大面積復合材料在飲料包裝應用中的動態溫度調節能力。
小結
研究人員制造并研究了仿魷魚皮的具有可調熱管理性能的大面積復合材料。
1）利用電子束蒸發、噴涂和分層等可伸縮技術在可回收鋁箔襯底上制備了矩形、拱形和毯狀復合材料。
2）首次通過量化紅外光的鏡面反射和漫反射之間的相互作用，全面揭示了形態可重構復合材料的結構-性能關系。
3）研究人員發現復合材料在不可逆破壞之前經受住了極大的變形，即使在10000次應變循環后仍保持了可調的紅外功能。
4）展示了單個復合材料在標準化條件下的可調熱管理能力，并對實際包裝相關配置中的毯狀復合材料的熱管理能力進行了基準測試。
5）展示了復合材料可預測地調節模型熱飲料及其容器的溫度的能力。
這種溫度調節性能有望使復合材料影響全球市場，每年約1000億美元，并提高消費者的日常熱飲料消費體驗。
參考文獻
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
