随着通信基站、车载电子和户外电源等装备功率密度持续提升，其服役环境日益复杂，往往同时面临太阳辐照、高温积热和机械振动等多重载荷作用。如何在同一材料体系中协同实现高效热管理与动态冲击防护，已成为保障户外装备安全运行、发展绿色低碳热管理技术亟需解决的重要力学问题。
针对这一挑战，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受天然珍珠层砖泥结构启发，提出了一种异质自组装冲击硬化界面设计策略，构建了兼具被动冷却、定向传热和冲击能量耗散能力的仿生力-热协同防护体系。相关成果以“Collaborative passive cooling of impact-hardening interfaces enabled by nacre-mimetic design”为题发表在《Nature Communications》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生李子木，通讯作者为龚兴龙教授和王胜副教授。
天然珍珠层优异的强韧性并非源于单一组分本身，而是来自硬质砖相与软质泥相之间的多级界面协同。受此启发，研究团队以二维纳米片构筑有序砖相，以剪切变硬胶作为动态泥相，通过长程取向组装和界面动态交联，建立了连续传热与载荷承载路径。在热学方面，有序片层结构能够增强太阳光散射和中红外辐射发射，并形成面内热传输通道，促进热量沿预设方向快速扩散，同时抑制厚度方向热泄漏。在力学方面，动态界面在低速变形下保持柔顺，而在高速冲击下由于分子链松弛滞后和动态键暂时冻结而迅速硬化，从而实现“平时柔顺、冲击变硬”的自适应力学响应。
在外部冲击作用下，有序硬相首先将局部载荷扩散至更大区域，有效降低应力集中。随后，软质动态界面通过层间滑移、瞬时硬化以及动态键断裂与重构等机制耗散冲击能量，并诱导裂纹偏转、分叉和钝化，使破坏过程由快速贯穿转变为多阶段渐进耗能。有限元分析进一步表明，该结构能够降低背面应力集中并延长冲击缓冲时间，体现出应力扩散、界面耗能和裂纹调控相结合的多级协同防护机制。
图1 异质自组装冲击硬化界面实现户外设备力-热协同防护
在此基础上，团队进一步构建了夹层式力-热协同防护结构，实现热学功能与力学功能的空间分工。其中，外层界面主要承担太阳反射、红外辐射散热和面内导热功能；中间动态层则兼具热阻隔和冲击缓冲作用，能够削弱热流与冲击载荷向被保护对象的直接传递。该设计面向电池系统、通信设施和户外电子器件等应用场景，为复杂服役环境下装备的多场耦合防护提供了新的仿生结构设计思路。
原文链接：
Zimu Li, Sheng Wang*, Shuai Liu, Jianpeng Wu, Wenhui Wang, Zhentao Zhang, Shilong Duan, Liangyuan Qi, Yuan Hu, Xinglong Gong*. Collaborative passive cooling of impact-hardening interfaces enabled by nacre-mimetic design. Nature Communications 2026, 10.1038/s41467-026-74755-w.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-74755-w
（近代力学系）
