综述：有机高温光热材料的最新进展

本综述系统梳理了有机高温光热材料（T > 100?°C）的研究进展，涵盖小分子与聚合物体系，重点解析其光热转换机制（包括J-聚集、分子内运动等）、性能调控因素（如能级设计、聚集态调控），并详述其在光控点火/爆燃、光热驱动器、激光加工及太阳光高温转化等领域的创新应用，为高温光热材料的跨学科发展提供重要参考。

　　

Abstract

有机高温光热材料（T > 100?°C）因其能够突破传统有机材料温度极限，实现激光或太阳光的时空可控远程加热及高温转化，展现出显著应用价值。本综述总结了近年来有机小分子与聚合物两类高温光热材料的研究进展，阐释其光热转换机制（如J-聚集、激发态失活、分子内运动等），分析能级结构、聚集态、分子构型等性能影响因素，并系统论述其在光控点火/爆燃、光热驱动器、光控金属加工及聚光太阳能量转化等领域的应用，最后展望了该领域面临的挑战与未来发展方向。

光热转换机制与材料设计

高温光热材料的核心在于高效将光能转化为热能并维持高温稳态。其机制主要包括：

1. 1.

   J-聚集诱导非辐射衰减：如氰基聚对亚苯基乙烯（cyano-PPV）衍生物通过分子间J-聚集形成激子态，促进热振动弛豫；

2. 2.

   分子内运动介导热生成：例如具有旋转自由的二甲基氨基基团在光激发后通过高频扭转耗散能量；

3. 3.

   供体-受体（D-A）结构增强系间窜越：强电子推拉体系促进三线态激子生成，通过磷光或热释放能量。

材料设计需兼顾窄带隙吸收（吸收范围延伸至近红外）、高摩尔消光系数（ε > 10⁵?L·mol^?1·cm^?1）及热稳定性（分解温度T_d > 300?°C）。典型体系包括：

• •

  小分子材料：如硫代吡啶并噻吩二酮（TPD）衍生物，通过侧链工程调控结晶性与熔点；

• •

  共轭聚合物：如聚噻吩-苯并二噻吩（PTB）类材料，利用主链共平面性增强热导率。

性能调控关键因素

1. 1.

   能级结构：HOMO-LUMO能级差（E_g）需与光源波长匹配，例如太阳光转化需E_g < 1.5?eV；

2. 2.

   聚集态工程：纳米纤维或薄膜形态可减少热散射损失，提升局部温度；

3. 3.

   界面热阻调控：材料与基底的声子匹配程度直接影响热传递效率。

应用领域突破

光控点火与爆燃

含能材料如硝基呋喃类聚合物在激光照射下可实现毫秒级升温至800?°C，用于微型引爆装置，其响应速度较传统电点火提升3个数量级。

光热驱动器

聚吡咯/石墨烯复合水凝胶在近红外光下发生可逆相变，驱动机械臂运动，能量转换效率达12%，且具备形状记忆功能。

光控金属加工

铜箔表面涂覆聚苯胺衍生物薄膜后，太阳光聚焦可产生1200?°C高温，实现不锈钢局部焊接，精度达微米级。

聚光太阳能量转化

基于聚噻吩的体异质结材料在10倍太阳光聚焦下输出温度达400?°C，耦合斯特林发动机后发电效率达8.5%。

挑战与展望

当前材料面临长期热稳定性不足（>500?°C环境下降解）、大面积制备工艺不成熟及生物相容性限制等问题。未来需开发多级结构材料（如金属-有机框架/聚合物杂化体系）、探索跨尺度热管理策略，并拓展至生物医学高温治疗（如肿瘤光热消融）等新领域。