气凝胶作为一种超轻、多孔、隔热性能突出的热管理材料，广泛应用于航空航天、建筑节能、电子散热与新能源电池保护等领域。然而传统气凝胶的设计更侧重隔热本身，并未整合储放热功能，使其在面对温度周期波动时难以实现理想的空间恒温调控。通过在气凝胶体系中引入相变材料，可赋予其储能与放能能力，有望在同一材料中同时实现高储能密度、优良力学性能与长期循环稳定性。目前，相变气凝胶（PCA）的主流设计策略主要包括嵌入式和均质化两类：嵌入式方法通常将微胶囊化或颗粒状的相变材料负载入气凝胶基体，但在高含量条件下容易因界面黏附不足而削弱力学性能；均质化方法则在分子尺度将相变组分与支撑聚合物交联，却往往因相变晶体结构受限而降低潜热。因此，如何构建兼具结构稳定性、高潜热与低导热的相变气凝胶网络，已成为当前领域亟待攻克的核心难题。

近期，北京理工大学张凯教授团队联合天津理工大学赵云峰教授团队在ACS Energy Letters上发表文章Beehive-Inspired Aerogels with Self-Assembled Phase Change Walls for Thermal Regulation，提出了一种突破相变材料传统范式的全新思路：让相变材料不再作为被动填料，而是直接“生长”为气凝胶的结构骨架。在自然界中，蜜蜂筑巢过程蕴含着高度精巧的智慧：它们先将分泌出的蜂蜡放入口中反复咀嚼，使其变得柔软可塑，再将表面混有唾液的蜂蜡颗粒逐层堆叠到巢壁上，随后用腹部将蜂窝壁压实，从而形成稳定而坚固的蜂巢结构；同时，蜂蜡还能被回收再利用，用于重建或扩展蜂巢，实现天然的材料闭环。张凯教授在博士阶段围绕蜂窝结构的力学行为及构型演化机制开展了系统研究，并将相关成果发表在国际知名期刊PNAS¹与Journal of The Royal Society Interface²等，为理解蜂巢构筑的力学本质提供了重要启示。

研究团队在前期工作的基础上，受到天然蜂窝构筑机制的启发，提出了一种全新的仿生相变气凝胶网络设计与制备方法。在该策略中，相变材料被类比为“蜂蜡颗粒”，聚合物则模拟蜜蜂咀嚼蜂蜡后附着其表面的“天然黏合剂”，而冰模板法被用来模拟蜜蜂以腹部压实蜂窝壁的步骤。通过这一仿生思路，材料得以在自组装过程中形成相变气凝胶网络（图1 a-b）。

图1 仿生相变气凝胶的设计原理及实现方法。

不同于传统将相变材料填充入多孔基体的策略，这一仿生构筑方式使气凝胶骨架直接由高含量PCM组成，真正实现结构—功能一体化：在保留气凝胶级隔热性能的同时避免了惰性基体对储能密度的稀释；得益于此，该材料实现了高潜热（208.1 J g^-1）、超低热导率（0.1055 W m^-1 K^-1）、优异的力学性能（杨氏模量 17.9 MPa），并在 500 次循环后仍保持 90% 以上的焓值稳定性。

图2. 相变气凝胶的热学性能、力学性能及循环稳定性。

本研究通过模拟验证了该新型仿生相变气凝胶在建筑环境中的恒温调控能力（图3）。结果显示，依托“隔热+储热”一体化机制，该气凝胶能够实现长达24小时的近恒温调节，性能显著优于商业气凝胶；同时，其具备类似天然蜂窝的可循环利用特性，可在加热条件下解交联并重新成型，为建筑节能、航天热防护、冷链物流等领域的可持续应用提供了可能。这一研究不仅提出了全新的相变气凝胶构筑策略，也标志着相变材料向可设计化、高性能微结构功能材料的重要跨越。

图3. PCA的热管理应用、可回收性、热致柔性以及制备策略的通用性验证。

北京理工大学助理教授左磊与北京理工大学唐山研究院—天津理工大学联合培养硕士生温彪为共同第一作者，北京理工大学张凯教授、天津理工大学赵云峰教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、北京市科技计划项目以及天津市自然科学基金的经费支持。

论文详情：Biao Wen^⊥, Lei Zuo^⊥, Nannan Jian, Xiaoqiang Song, Boyuan Miao, Lijuan Zhao, Yunfeng Zhao^*, and Kai Zhang^*. Beehive-Inspired Aerogels with Self-Assembled Phase Change Walls for Thermal Regulation. ACS Energy Letters, 2025, 10, 6197−6206.

全文链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c02994

前期相关工作：

(1)Zhang, K.; Duan, H.; Karihaloo, B. L.; Wang, J. Hierarchical, Multilayered Cell Walls Reinforced by Recycled Silk Cocoons Enhance the Structural Integrity of Honeybee Combs. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107 (21), 9502–9506. https://doi.org/10.1073/pnas.0912066107.

(2)Karihaloo, B. L.; Zhang, K.; Wang, J. Honeybee Combs: How the Circular Cells Transform into Rounded Hexagons. J. R. Soc. Interface. 2013, 10 (86), 20130299. https://doi.org/10.1098/rsif.2013.0299.

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