建筑节能是实现 “双碳” 目标的关键领域，2022 年我国建筑与建筑业建造碳排放占全国能源相关碳排放的 48.3%，凸显绿色隔热材料的迫切需求。纤维素材料因可再生特性成为可持续选择，但干燥过程中易发生结构塌陷，高温还会破坏分子间氢键，导致热性能显著下降，制约其应用。天然鹅绒的 “羽毛骨架 - 绒毛气囊” 分级结构带来启发，其三维立体构造形成稳定空气层，为隔热材料设计提供仿生思路。传统常温干燥生物基泡沫存在收缩率高、孔隙结构不稳定等问题，而农业废弃秸秆蕴含丰富生物质资源，为绿色材料开发提供原料基础。在此背景下，通过原位合成构建支化生物二氧化硅纤维支撑中空微球的协同结构，结合蒸汽介导处理优化孔隙网络，可解决结构塌陷难题。该设计兼顾低导热系数、高力学性能与低碳优势，为建筑隔热材料的可持续发展开辟新路径。

近日，马里兰大学Shenqiang Ren(任申强)教授，Taotao Meng等人在生物基建筑保温材料领域取得新进展。纤维素材料为建筑节能提供了可持续的优势。然而，它们的发展受到热性能下降的阻碍，这通常是由从溶液到固体转变过程中的结构塌陷引起的。受天然鹅绒的启发，推出了一种源自农业废弃秸秆的生物基轻质保温泡沫。通过原位合成，制备了具有支化结构的生物二氧化硅纤维，能够支撑中空二氧化硅微球。经过蒸汽介导的处理后，所得泡沫表现出低密度（95 mg cm−3）、高孔隙率（95.5%）、低导热系数（0.03 ± 0.003 W m−1 k−1）以及 50%应变时 90kPa 的循环抗压强度。由于支化生物纤维和空心二氧化硅球形成的协同微观结构，与其他常温干燥制备的生物基泡沫相比，生物二氧化硅泡沫表现出优异的隔热性能。通过采用这种材料作为核心部件，进一步开发了钝化绝缘板，实现了 0.0275 W m−1 k−1 的导热系数和 6.85MPa 的抗弯强度。该面板在为期 60 天的户外测试中表现出耐用性和稳定的热性能。此外，生物二氧化硅泡沫在二氧化硅含量为 70.2 wt.% 时的碳足迹为 7.50 kgCO₂ kg−1，凸显了其作为绿色建筑可持续隔热解决方案的前景。该研究成果以“Bioinspired Dry-Steam Superinsulation Straw Foam”为题，发表在《Small》上。

图1.生物二氧化硅泡沫的仿生设计与制备：(A)分支状鹅绒的隔热原理示意图；(B)天然鹅绒结构及其层级形貌；(C)农业废弃秸秆经碱压处理和原位溶胶-凝胶合成转化为生物二氧化硅纤维，扫描电子显微镜（SEM）图像显示纤维具有装饰有二氧化硅球的分支结构；(D)蒸汽介导的泡沫加工过程：分支状生物二氧化硅纤维、蒸汽处理前的模压泡沫以及干燥后的泡沫示意图；(E–H)生物二氧化硅泡沫的性能表征：(E)超轻质特性；(F)通过热成像验证的隔热性能；(G)循环弹性；(H)大尺寸面板制备（12×12×1英寸）

图2.秸秆泡沫、生物纤维泡沫及生物二氧化硅泡沫的形貌表征与结构分析：A)秸秆泡沫的光学照片及不同放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示其纤维束与原纤维结构；B)生物纤维泡沫的光学照片及不同放大倍数下的SEM图像，呈现其网络结构与分散纤维；C)生物二氧化硅泡沫的光学照片及不同放大倍数下的SEM图像，揭示其含中空二氧化硅颗粒的层级结构；D)生物二氧化硅泡沫结构的SEM图像与能谱（EDS） mappings；E)秸秆、生物纤维及生物二氧化硅的X射线衍射（XRD）图谱，显示其特征结晶峰；F)秸秆、生物纤维及生物二氧化硅的傅里叶变换红外（FTIR）光谱，表明其化学组成

图3.生物二氧化硅泡沫的热性能表征与隔热机理：A)秸秆泡沫、生物纤维泡沫与生物二氧化硅泡沫的导热系数对比；B)二氧化硅含量对生物二氧化硅泡沫导热系数的影响；C)生物二氧化硅泡沫中孔隙率与二氧化硅含量的关系；D)生物二氧化硅泡沫与聚苯乙烯泡沫（EPS泡沫）的数码照片（左侧），以及不同时间间隔（0、30、60、90和120秒）下温度分布的红外热成像图；E)隔热测试过程中生物二氧化硅泡沫与EPS泡沫上下表面的温度-时间曲线；F)生物二氧化硅泡沫隔热机理示意图，展示中空二氧化硅球与分支状生物纤维在阻碍通过对流、传导和辐射途径热传递方面的协同作用

图4.生物二氧化硅泡沫的力学性能：(A)不同应变水平下生物二氧化硅泡沫循环压缩过程的照片；(B)不同二氧化硅含量生物二氧化硅泡沫的抗压强度-应变曲线；(C)不同应变下的循环压缩应力-应变曲线；(D)不同二氧化硅含量下（10%应变）的循环压缩应力-应变曲线

图5.面向建筑应用的钝化绝缘板（PIP）设计、户外测试及环境影响：A) 钝化绝缘板（PIP）的组装过程，展示了以生物二氧化硅泡沫为核心材料、挤塑聚苯乙烯（XPS）为支撑框架的整合方式；B) 所制备大尺寸钝化绝缘板（PIP）的照片（105 mm×35 mm×5 mm）；C) 生物二氧化硅泡沫单独使用与钝化绝缘板（PIP）的热阻（R值）对比；D) 带框架的生物二氧化硅泡沫与钝化绝缘板（PIP）的（性能）对比（原文此处“the”后缺失具体性能指标，按原文结构保留）；E) 60天户外测试中钝化绝缘板（PIP）热阻（R值）的稳定性，表明其在环境条件下具有稳定的隔热性能；F) 生物二氧化硅泡沫在不同二氧化硅质量分数下的碳足迹