在全球建筑能耗持续攀升的背景下，如何用一种材料同时实现高效隔热与吸声，一直是材料科学领域的经典难题。传统隔热材料需要微纳孔结构抑制气体对流，而高效吸声材料则需要连通的亚毫米孔耗散声能。这两种相互矛盾的孔结构需求，让单一材料的“热-声双效”调控长期难以兼得。
近日，来自赣南师范大学竹基新材料与物质转化工程研究中心李星星副教授、王君玫博士联合武汉大学陈朝吉教授、广东省农业科学院何超博士，在嫩竹子这一快速可再生资源中找到了突破性解决方案。他们通过一种极简、绿色的“微加工”工艺，成功制备出具有天然梯度孔结构的竹源多功能泡沫（SiBG）。该材料不仅展现出优异的非对称隔热性能和卓越的吸声能力，更实现了从原料到“以竹代塑”新产品的零废液排放闭环制备，为绿色建筑材料的可持续发展提供了全新路径。相关研究成果发表于国际权威期刊。
2026年3月9日，该研究以题为“A Sustainable Route Toward Gradient-Structured Sponge with Topological Cellular Cavity from Bamboo for All-Season Comfort”发表在最新一期《Advanced Functional Materials》 上。本文第一作者为赣南师范大学王君玫博士、2023级硕士研究生黄春梅和武汉大学2022级博士研究生陈俊青。
维持舒适的室内环境是现代社会的刚需，但也伴随着巨大的能源消耗。供暖和制冷能耗占全球总能耗的10%以上。理想的建筑材料应同时具备优异的隔热和吸声性能，以提升居住舒适度并降低碳排放。然而，这面临一个根本性的科学挑战：有效的隔热材料通常需要微纳尺度的孔隙来抑制气体对流；而优异的吸声材料则依赖连通的亚毫米级孔隙来耗散声能。调和这两种相互冲突的孔结构需求，在同一材料中实现热-声双效调控，是领域内长期存在的核心难题。
植物细胞壁因其天然的分级多孔结构与丰富的内部空腔，为设计高效隔热吸声材料提供了理想的仿生模型。在众多生物质材料中，竹子因其独特的结构优势和生长特性而备受关注。竹子不仅具备天然的蜂窝状梯度多孔结构，更重要的是，竹子生长速度极快（最高每日可长100厘米），种植周期短，并具有突出的固碳能力。作为中国最具代表性的速生植物资源之一，竹子也是国家推进“以竹代塑”倡议的重要载体。然而，当前竹基泡沫材料的制备往往需要复杂的化学预处理，这一过程常常破坏竹子与生俱来的精细微观结构，限制了其结构功能的充分发挥。
图1 竹源梯度泡沫（SiBG）的可持续制备与应用
研究团队将目光投向嫩竹——这种原料因其独特的“高含水率、低木质素含量”特性而展现出显著优势：高含水率为冰晶的成核与生长提供了充足介质，是冰模板成形的基础；低木质素含量则赋予细胞壁更高的结构可塑性，使其在冰晶膨胀产生的内应力作用下更易发生形变与重组，从而避免使用严苛的化学脱木素处理。基于这一思路，团队提出一种创新的“微加工”工艺，在完整保留竹材天然梯度结构的前提下，实现了绿色闭环生产（图1a）。该工艺融合冰模板、乙醇置换、冷冻干燥及气相硅烷化等多步手段，将嫩竹成功转化为兼具梯度孔隙结构与优异热-声性能的竹源梯度泡沫（SiBG）。
图2 嫩竹的结构演变与全利用
硅烷化竹基梯度泡沫（SiBG）密度仅约48 mg/cm³，比强度高达 16.04 MPa·cm³/g，不仅可轻盈立于合欢花上（图1d），更能承受自身重量10000倍的负荷（图1e）。总热导率低至 0.048 W/m·K，优于商用发泡聚苯乙烯（EPS）。更重要的是，其天然梯度结构赋予了它非对称隔热特性（图3d, e）。当热量从低密度侧传向高密度侧时，隔热效果最佳，实现了定向热调控。其径向热导率仅 0.025 W/m·K，轴向为0.110 W/m·K，各向异性比高达 4.4。
图3 竹源泡沫的非对称隔热与力学性能
在声学调控方面，9毫米厚的SiBG，其降噪系数（NRC）高达0.38。对89.5分贝的泵噪声，可将其降至 69.7分贝，而相同厚度的商用聚氨酯海绵仅能降至86.9分贝（图4d）。将其应用于模拟降噪耳机，相比商用海绵可实现约6分贝的噪声降低（图4e）。SiBG的多尺度结构（梯度孔、共振腔、平行通道）协同作用，通过阻抗匹配、内部反射和粘滞耗散，实现了高效声能衰减（图4h）。
图五
图4 SiBG的吸声性能与机制
基于这些卓越性能，研究团队展示了SiBG的广阔应用前景：
1、智能节能建筑：将两片SiBG“背对背”组合，可构建集焦耳加热、隔热、吸声于一体的多功能器件（图5a）。在红外灯模拟的“日出日落”照射下，材料表面温度升至42°C，而内部温升不足1°C，展现了极佳的隔热稳定性（图5c, d）。在3.0V低电压驱动下，基于SiBG的模型建筑内部可实现33°C的温升（图5f, e）。
2、显著的节能潜力：利用EnergyPlus软件对中国不同气候区的模拟表明，使用SiBG围护结构可显著降低建筑全年供暖制冷能耗。在气候温和的北方地区，年节能率超过46%，全国11个主要城市的平均节能率也超过36%（图5g, h）。
图5 SiBG的综合应用和节能评估
这项研究不仅巧妙地利用嫩竹的天然结构，通过极简、绿色、闭环的制造工艺，创制出性能卓越的热-声双效调控泡沫，更重要的是，它为多孔材料的设计提供了全新思路——尊重并利用自然的梯度结构，而非复杂地人造结构。这一成果不仅为“以竹代塑”背景下的全降解竹基泡沫材料开发树立了新范式，也在建筑节能、噪声控制及极端环境防护等领域展现出广阔应用前景，是迈向可持续材料体系的一次有益探索。
来源：高分子科技
