摘要

建筑保温是降低供暖制冷能耗、实现建筑领域双碳目标的核心路径，以纤维素、木质素等可再生原料制备的生物质气凝胶，凭借轻质多孔的先天优势成为下一代绿色保温材料的热门选项，却长期困在实验室性能优异却难以落地的转化死胡同。香港科技大学曾超华教授团队联合全球多所顶尖高校研究者，在Advanced Materials上推出完整的“结构—失效—应用验证”体系框架，从原料设计、失效机制识别到全层级产品验证给出系统指引，为生物质气凝胶真正走向实际建筑保温场景搭建出清晰可落地的路线图。

你有没有算过这样一笔账：我们日常居住和使用的建筑，消耗掉了全社会将近40%的能源，其中一半以上的能耗，都花在了冬季供暖和夏季制冷这件事上。给建筑穿上一身够轻薄、够保温又足够安全耐用的“保暖外套”，几乎是所有国家推进建筑领域节能减排、实现双碳目标性价比最高的手段。过去几十年里，我们用的主流保温材料一直在“性能”和“绿色”之间反复横跳：传统的聚氨酯泡沫保温效果很好，但遇火就会释放剧毒浓烟，用二三十年就会老化粉化；岩棉这类矿物棉防火性没问题，但重量大、安装的时候容易掉渣刺痒，长期使用还会沉降变形隔热效率大打折扣；近些年热门的二氧化硅气凝胶隔热能力很强，但生产成本居高不下，生产过程能耗极高，报废之后很难自然降解，本质上算不上真正的低碳环保材料。

就在所有人都在找下一代兼顾绿色、保温、安全、低成本的保温方案的时候，以纤维素、木质素、壳聚糖、海藻酸盐这些完全来自农林可再生资源做成的生物质气凝胶，突然变成了整个领域的希望之星。这类材料几乎是为建筑保温场景量身定做的：它的孔隙率能轻松做到90%以上，重量轻得能放在蒲公英的绒毛上都压不弯，丰富的纳米级多孔结构能把空气牢牢锁在孔道里，几乎完全切断对流换热的路径，理论上热导率比静止空气还要低，完全有潜力做到比传统保温材料更薄的厚度实现更好的隔热效果。更重要的是，从头到尾用的都是天然可再生原料，生产全链条碳排放极低，报废之后能完全自然降解，根本不会像石油基泡沫那样留下百年难消的环境负担。

过去十几年里，全球科研团队在实验室里把生物质气凝胶的性能刷了一遍又一遍：有人做出了热导率低到0.012 W/(m·K)的样品，直接把隔热性能拉到了顶级气凝胶的水平；有人通过仿生设计把材料的压缩回弹性能做到了压到80%形变之后还能完全恢复；还有人通过复合改性直接让原本易燃的生物质材料达到了最高级别的防火等级。几乎随便搜一篇相关领域的论文，都能看到作者在摘要里信心满满地写着“该材料在建筑保温领域拥有巨大应用潜力”。可一个所有人都避不开的尴尬现实是：你现在去随便找一个建筑材料市场，问商家有没有用在建筑墙面上的商业化生物质气凝胶保温产品，大概率得到的回答都是没有。

这些在实验室里性能完美的“明星材料”，一走到真实的建筑工地和几十年的长期服役场景里，立刻就暴露出一堆之前根本没人注意的致命问题。很多实验室里做出来的超低热导率样品，都是体积不到10立方厘米的小块纯试样，放到真实建筑上做成几十毫米厚的保温板材之后，热导率立刻就升上去一大截；为了追求高孔隙率把材料做得像棉花糖一样脆，施工工人用手轻轻一掰就碎成渣，根本没办法运到工地上上墙；明明在实验室里测出来接触角超过130度号称完全疏水的样品，放到南方高湿度的梅雨季节里没半个月就吸满了水，吸水之后的热导率直接翻三倍，完全失去保温作用；还有些为了提升力学性能和防火性能做的复杂改性工艺，用到了大量有毒的交联剂和昂贵的试剂，放大到吨级生产之后成本直接比传统聚氨酯泡沫贵了好几倍，根本没有任何市场竞争力。

说到底，之前绝大多数的生物质气凝胶研究，都陷在了“刷单项指标”的内卷误区里：大家都盯着怎么把热导率做更低，怎么把压缩强度做更高，怎么把防火等级往上刷，可这些来自不同配方、不同测试条件、不同极小尺度样品的优异性能，根本没办法拼起来直接变成一个合格建筑保温产品的性能保证。高孔隙率和强力学性能天然存在矛盾，亲水性生物质骨架天生就容易被水汽入侵，复杂的仿生结构设计放到规模化生产线上根本做不到一致性。所有人都隐约知道这些问题，但从来没有人站出来把整个全链条的逻辑理清楚：从最开始的原料选择，到中间的孔结构设计，再到几十年建筑服役过程里可能出现的失效模式，最后到符合建筑行业标准的验证测试，到底每一步应该怎么走，才能真正把实验室里的样品，变成工地上可以放心用的合格保温产品。

直到2026年10月6日，香港科技大学曾超华（Daniel C.W. Tsang）教授团队联合麻省理工学院、加州大学伯克利分校、史蒂文斯理工学院、高丽大学及香港城市大学的全球多领域研究者，在国际顶级期刊Advanced Materials上发表了题为Toward Scalable Applications of Biomass Aerogels for Building Thermal Insulation的重磅综述，直接给这个行业卡了很多年的转化难题递上了一份完整的全路线图。香港科技大学博士后研究员徐婕（Jie Xu）为论文第一作者，曾超华教授为通讯作者，这项工作得到了香港研究资助局协作研究金、研究影响基金及香港科技大学“30 for 30”全球人才招募计划的联合支持。整个研究没有讲任何悬浮在空中的概念，完全是从真实建筑保温的实际需求倒推回去，搭建出一套应用导向的“结构—失效—应用验证”完整框架，直接回答了所有做相关研究的人心里的三个核心问题：我做出来的这个材料到底适合用在建筑的哪个位置？它在几十年的使用过程里会以什么样的方式慢慢坏掉、失效？在推向实际工程应用之前，我还需要拿到哪些实打实的验证证据？

这套框架最难得的地方，是它第一次把原本完全孤立的“原料组成选择”“产品形态设计”“孔结构调控”这几个材料研发端的环节，和建筑端的“服役失效机制识别”“场景化性能验证”“技术成熟度评估”完全打通，变成了一个环环相扣的联动系统。之前很多做材料的研究者，根本不清楚建筑行业对不同部位的保温材料到底有什么不一样的硬性要求，拿到一个生物质气凝胶配方，第一反应就是测一下热导率好不好，就直接宣称可以做建筑保温，根本不管它适不适合做成板材、能不能扛住施工时候的挤压变形、过几个夏天的高温循环会不会直接开裂。而这套框架从根源上帮研究者把材料设计里的所有薄弱环节提前识别出来，完全不用等到放大生产之后才发现之前花了好几年做的东西根本不符合建筑使用要求，直接把实验室研究和建筑产品开发之间之前模糊不清的联系，变成了明明白白可以照着走的清晰路径。

顺着这套框架走的第一步，研究者就跳出了“唯低热导率论”的经典误区，从建筑应用的实际需求出发重新梳理整个生物质气凝胶的产品设计逻辑。不同的生物质原料、不同的杂化改性方案，最终做出来的气凝胶完全可以根据使用场景的需求，加工成刚性保温板材、柔性保温毡、功能性保温薄膜、建筑外墙保温涂层甚至散装填充颗粒这几种完全不同的产品形态，而每一种形态背后对应的核心性能要求天差地别，根本不能用同一个标准来评判好坏。比如用在建筑外墙外立面的刚性保温板材，你首要的考核指标根本不是热导率有多低，而是宽温度范围内的尺寸稳定性——要是夏天暴晒之后板材直接膨胀翘曲，直接就会从墙面上脱落掉下来，哪怕热导率再低也完全是不合格产品；用在曲面异形建筑幕墙背后的柔性保温毡，你不需要它有多高的压缩强度，但是必须能反复弯折之后也不会出现裂纹，能完全服帖地贴在不规则的曲面上；用在建筑内墙的保温涂层，最重要的是和墙体基材的粘结强度，还有长期耐候性，刷在墙上十年八年不会起皮脱落。如果研究者从一开始就盯着“把热导率做到最低”这一个单一目标去做配方，最后做出来的材料根本适配不了任何一个具体的建筑产品形态，性能再好也只能永远待在实验室的展示柜里。

解决了产品形态的认知问题之后，框架进一步深入到最核心的孔结构优化环节，把之前很多研究里想当然的孔结构设计的“收益”和“代价”全部摆到台面上讲得清清楚楚。大家之前都知道生物质气凝胶的高孔隙率是隔热好的核心秘密，但是很少有人系统性地讲明白不同类型的孔结构到底是怎么同时影响“热传递”和“载荷传递”的：如果你一味降低固相含量把孔隙率拉到极致，确实能大幅减少固相导热的占比，轻松拿到极低的热导率，但代价就是支撑整个结构的骨架会变得特别脆弱，稍微受到一点外力挤压就直接碎掉，根本扛不住施工和长期服役过程里的正常外力；反过来，你要是为了提升力学性能，往骨架里增加大量桥联连接、构建分级网络，甚至引入定向排列的孔道结构，材料的压缩强度和抗裂性能确实能大幅提升，但很可能密度就跟着涨上去，孔道的连通性变化还会让热导率升高，整个合成和加工的复杂度也会成倍上升。更有意思的是很多人之前完全忽略的细节：如果做出来的是各向异性的定向孔道结构，不同方向上的热导率和力学性能差别会非常大，你上墙安装的时候如果装反了方向，原本设计的低隔热方向直接对着室内外，保温效果直接就打对折，之前在实验室里沿着最优方向测出来的所有优异数据，放到工地上根本就发挥不出来。

文章里专门花了很大篇幅拆解各类仿生孔结构的设计逻辑，给很多现在跟风做仿生结构的研究浇了一盆非常清醒的冷水。现在很多研究者热衷于在生物质气凝胶里复刻蜂窝、珍珠层、北极熊毛、水蕨、竹子这类自然界里的神奇结构，发了很多很酷的论文，但是绝大多数的研究停留在“做出来长得像的结构”的层面，根本没有想清楚这个仿生结构具体能给建筑保温场景解决什么实际问题。这套框架点出了仿生设计真正的价值绝对不是做出一张好看的扫描电镜图片，而是要把这些自然界里经过亿万年进化出来的分级组织、层状界面、纤维增强、定向通道的结构优势，实实在在转化成建筑保温材料真正需要的抗裂纹扩展能力、形变恢复能力，同时把采用这个仿生设计带来的密度上升、加工成本提高这些对应的代价和限制全部算清楚，如果你为了做一个仿生蜂窝结构，把生产成本拉高了5倍，哪怕力学性能再好，也根本没有办法在建筑市场里和价格低廉的矿物棉竞争，这样的仿生设计从应用角度来看就是没有实际落地价值的无效创新。

整个框架最具突破性的部分，是它第一次系统把建筑几十年长期服役过程里的所有失效模式全部梳理清楚，直接打破了很多研究者“新鲜样品性能好就等于产品耐用”的幻觉。很多实验室里性能完美的生物质气凝胶，从来没人去考虑它在建筑几十年的使用周期里会怎么慢慢坏掉：反复的冬天压缩、夏天膨胀，长期循环之后内部的纳米骨架会不会慢慢坍塌掉，孔隙率大幅下降直接失去保温效果；南方地区高湿度环境下长期吸湿和干燥反复循环，骨架不断发生胀缩形变，慢慢出现微裂纹最后整体开裂；长期受到紫外线照射和环境里的酸碱物质侵蚀，生物质骨架发生慢慢的化学降解，原本的分子链断成小片段直接粉化；甚至气凝胶保温层和墙体基层之间的界面，随着温度湿度的长期循环慢慢出现分层，最后整个保温层直接从墙面上整片脱落。你在实验室里拿一块新鲜制备的样品测出来的低热导率、很高的表面接触角，根本完全不能证明它能扛得住二三十年的真实建筑服役，文章明确要求所有的性能验证测试，绝对不能停留在新鲜样品的表征上，必须要做和实际建筑场景完全匹配的热循环测试、长期湿热暴露测试、百万次重复加载疲劳测试、人工环境加速老化测试，并且专门关注经过这些严苛测试之后的剩余性能保留率。机械性能评价不能只测一次压缩的强度，还要测试长期蠕变、循环疲劳之后的性能保持；防火测试不能只看会不会被点燃，还要重点关注燃烧的时候的热释放速率、有毒烟气生成量、燃烧之后材料能不能保持结构完整性不会大面积脱落；最终的产品验证还要考虑实际工程使用的完整厚度、不同墙体基材的粘结相容性、界面长期耐久性甚至工地现场的常规施工安装条件，完全从工程实际出发建立测试标准。

框架里提出的另一个极具颠覆性的洞见，是明确指出材料级性能、产品级验证、第三方认证和建筑层面的整体评价是四个完全不能互相替代的层级，你不能用实验室里小样品的优异性能，去直接证明最终上墙的建筑产品也是合格的，这中间的每一个层级的验证工作，都没有办法跳过。文章直接把这四个验证层级和行业里通用的技术成熟度评级对应起来，清清楚楚给研究者列出来从实验室里几立方厘米的小样品，最终变成能拿到合规建筑材料认证、可以大面积用在实际工程里的合格产品，中间还有哪些必须完成的验证步骤。同时它非常客观地把生物质气凝胶和现在市面上已经非常成熟的聚氨酯泡沫、矿物棉、二氧化硅气凝胶这些主流保温材料做了全维度的横向对比，不吹不黑地分析出每一类材料的优势和劣势，明确生物质气凝胶最适配的细分应用场景，甚至帮研究者区分开实验室小规模合成的材料成本和未来规模化量产之后的实际商业销售价格，避免大家根据实验室里几克样品的原材料成本，拍脑袋算出来一个根本不符合产业实际的“极低生产成本”，最后在产业化的时候被现实狠狠打脸。

最后文章给整个生物质气凝胶建筑保温领域指明了接下来三个最核心的研究方向：第一是开发可规模化复制的分级结构设计方案，不要再去追求只能在实验室毫克级样品上实现的复杂特殊结构，所有的结构设计从一开始就要考虑到大批量量产的工艺兼容性；第二是建立和建筑服役周期匹配的全链条长期耐久性验证体系，彻底把“实验室材料不耐用”的标签从生物质气凝胶身上撕掉；第三是建立统一一致的全生命周期可持续性评价标准，要知道用可再生原料做的材料并不自动等于低环境负担，合成过程里用到的高能耗干燥工艺、大量有毒有机溶剂和添加剂、材料最终的使用寿命和报废之后的可回收性，全部要纳入全生命周期碳足迹的核算里，真正做到全链条的绿色低碳。至于现在很多研究里宣传的被动冷却、湿度自动调节、火灾自动预警这类多功能特性，不能为了加功能而加功能，必须实实在在去验证这些功能在实际建筑保温产品里能给最终用户带来多少可量化的实际收益，不能搞没有实际应用价值的功能堆砌。

这份系统性的综述完全不是普通意义上的文献罗列堆砌，而是整个领域第一次由材料、建筑、环境多领域全球顶尖研究者联合搭建出来的实用型指引手册，不管你是做多孔材料合成、仿生结构设计，还是建筑保温技术、可持续绿色材料研究，都能从里面找到自己现阶段研究对应的薄弱环节，帮你把研究重点从之前大家卷了很多年的单项性能指标优化，转向真实建筑服役条件下的产品可靠性提升。如果你想通读这份完整的综述获取更多细节内容，可以点击链接直达论文原文。

我们完全有理由期待，未来随着这套全链条框架的落地普及，再过几年你去建材市场，就能买到完全用农林废弃物做成的生物质气凝胶保温板材，薄薄一层贴在外墙上，既能隔热降耗、遇火不燃，用二三十年不会老化变形，报废之后直接完全降解没有环境负担，真正给我们的建筑穿上一身既保暖又安全、还完全绿色低碳的“生物外套”，实实在在为建筑领域的双碳目标贡献出核心力量。

图文摘要. 生物质气凝胶建筑保温的研究全景，涵盖原料、产品形态、孔结构及应用验证要求。图片来源：论文TOC图。

图1. 应用导向的“结构—失效—应用验证”框架，将原料与产品选择、建筑需求、孔结构设计、服役风险及技术成熟度评估联系起来。图片来源：论文Figure 1。

图2. 生物质及其衍生气凝胶的代表性产品形态与建筑应用，包括刚性板材、柔性毡、薄膜和涂层。来源：原论文Figure 4。

图3. 代表性仿生孔结构，包括蜂窝、珍珠层、北极熊毛、水蕨、竹、吐司、管状与桥联结构。来源：原论文Figure 7及其所引文献。图像版权分别归Springer Nature、Wiley-VCH、American Chemical Society及Elsevier所有，详见原论文图注。

图4. 生物质气凝胶的结构坍塌、化学降解与界面失效，以及相关耐久性研究实例。来源：原论文Figure 8；其中部分图像版权归American Chemical Society所有（2024、2022），详见原论文图注。

图5. 生物质气凝胶的未来发展方向，包括仿生结构、被动冷却及智能多功能体系。来源：原论文Figure 9及其所引文献；部分图像版权归American Chemical Society、AAAS、Wiley-VCH及Elsevier所有，详见原论文图注。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.75255

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