近日，武汉纺织大学纺织新材料与先进加工全国重点实验室的徐卫林院士、万骏教授、刘可帅教授，在Cell Press出版社旗下期刊Matter&Light上发表了题为“Planetary-relevant high-temperature-resistant mid-infrared materials for extraterrestrial exploration and infrastructure”的论文。张瀚元为论文第一作者，武汉纺织大学为第一完成单位。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matlit.2026.100021。
该论文面向行星探测、深空任务与地外基础设施建设中日益突出的极端热环境需求，系统提出了行星相关高温耐受型中红外材料的概念框架。不同于传统中红外材料研究主要关注常温光谱性能，该论文强调中红外反射、发射与透过行为必须在高热流、强热循环、真空/低压、氧化还原气氛、尘埃磨蚀与辐照等任务边界条件下保持稳定。基于这一认识，论文将中红外材料性能从单一光学指标拓展为由辐射物理、热稳定性、缺陷演化、相稳定性与近表面结构共同决定的系统级能力。在物理机制层面，论文从温度、辐射传输与中红外光学响应出发，阐明了自由载流子动力学、声子共振、缺陷介导吸收、表面粗糙化与反应层生长对中红外反射率、发射率和透过率稳定性的影响。进一步地，论文按照主导键合特征与光学激发机制，将高温中红外材料划分为共价及超强键合固体、极性陶瓷与声子主导材料、难熔碳化物与超高温陶瓷、适用于氧化行星环境的金属态氧化物、碳基近灰体辐射架构以及新兴各向异性材料平台等类别，并从结构稳定性、光谱功能与环境适应性角度进行系统比较。更重要的是，论文将材料体系与具体地外应用场景相结合，讨论其在行星进入与下降热防护、原位表面与大气传感、月面/火星基础设施热管理、行星能源转换、深空光子通信与红外器件中的潜在作用。该综述不仅为高温中红外材料的分类、评价与设计提供了统一框架，也为未来面向地外探测与行星基础设施的耐极端环境辐射材料开发提供了重要理论基础和工程参考。
中红外（MIR）辐射覆盖了众多行星表面、大气环境与航天器热辐射的主导波段，是连接行星能量平衡、热管理调控与红外光谱探测的关键物理通道。在地外探测任务中，无论是行星进入、下降与着陆过程中的瞬态高热流，还是月面、火星表面及深空基础设施运行中的长期热循环、辐射冷却与环境感知，中红外辐射都不再只是被动的光谱信号，而是直接影响装备温度稳定性、能量利用效率与探测数据可靠性的核心因素。因此，高温耐受型中红外材料在热防护、红外窗口、选择性辐射表面、原位光谱传感、热光伏能量转换以及地外基础设施热控系统中具有不可替代的战略价值。然而，面向地外极端环境的中红外材料设计远比常规室温光学材料更加复杂。传统研究通常关注材料在常温、静态条件下的反射率、发射率或透过率，但真实行星任务环境会同时施加强热流、低压或真空、氧化/还原气氛、尘埃磨蚀、紫外与粒子辐照以及长周期冷热循环等多重作用。这些因素会持续改变材料近表面结构、缺陷浓度、相组成、氧化层厚度与微观粗糙度，从而引发载流子阻尼变化、声子共振漂移、缺陷吸收增强和散射损耗增加。也就是说，材料在实验室中表现出的优异中红外光谱性能，并不必然能够在高温服役过程中保持稳定。一旦发射率、反射率或透过率发生漂移，器件的热平衡状态和光谱探测精度将随之改变，甚至可能进一步加速材料热化学退化，形成光学功能衰减、热环境改变、结构继续退化的反馈失效过程。当前，高温中红外材料研究仍存在明显的体系分散问题。不同材料家族往往围绕单一应用场景展开讨论，例如高反射金属氧化物涂层、高发射陶瓷材料、红外透明窗口、碳基宽带辐射体或超高温碳化物体系等，但缺乏统一框架来比较其光谱功能、热稳定性与地外环境适应性之间的关系。更重要的是，材料能否适用于行星探测并不只取决于某一光谱指标的高低，而取决于其在特定温度区间、气氛条件、辐照环境和服役时间内能否维持稳定的中红外响应。因此，亟需建立一种从辐射物理、电子结构、晶格振动、缺陷化学、相稳定性和近表面微结构演化出发的系统性材料框架，将中红外反射、发射与透过行为与高温环境可靠性统一起来。该框架不仅有助于解释不同高温中红外材料在地外环境中的性能边界，也将为未来行星进入热防护、地外原位传感、月面与火星基础设施热控以及深空光子系统提供可设计、可评价、可工程转化的材料基础。
高温耐受型中红外材料的行星应用框架
图1从地外探测与行星基础设施建设的系统需求出发，构建了高温耐受型中红外材料的总体研究框架。该图首先将材料应用场景拓展到行星进入、下降与掠飞系统，地外基础设施与居住系统，原位行星表面及大气传感，行星能源转换与热管理，以及行星通信与光子平台等关键任务环节，强调中红外材料并非单一光学元件，而是支撑热防护、辐射调控、光谱诊断与信息传输的基础功能材料。随后，图中进一步按照材料的主导结构与光学响应机制，将高温中红外材料归纳为共价及超强键合固体、极性陶瓷与声子主导材料、难熔碳化物与超高温陶瓷、适用于氧化行星环境的金属态氧化物、碳基架构与近灰体辐射体等代表性类别，体现出材料分类不再仅依赖化学组成，而是同时考虑键合强度、载流子动力学、晶格振动、缺陷结构和环境稳定性。更重要的是，将反射与低发射率行为、透过与红外窗口行为、吸收与发射机制统一到同一中红外光谱框架中，揭示高温中红外材料的核心科学问题在于如何在极端热流、热循环、辐照、尘埃磨蚀和复杂气氛中维持稳定的光谱功能。由此，该图奠定了全文从辐射物理机制到材料体系分类，再到地外任务应用转化的逻辑主线，为理解高温耐受型中红外材料的结构起源、性能边界与行星工程价值提供了总体框架。
图1 高温耐受型中红外材料的分类体系及其在地外探测与基础设施中的应用示意图
行星热环境、中红外辐射机制与材料稳定性的物理基础
图2系统揭示了行星极端热环境、高温中红外辐射行为与材料结构稳定性之间的内在关联，是全文理论框架的重要物理基础。该图首先对比了不同行星环境中的热传递边界条件，指出在稠密大气或高速再入过程中，热交换主要表现为辐射与对流耦合，而在深空、月球等近真空或无大气环境下，则以辐射主导热交换过程，中红外波段因此成为决定能量输入与输出平衡的核心通道。在此基础上，图中进一步归纳了地外任务中的典型高温区间，包括进入与下降过程中的瞬态高热流冲击、长期表面服役中的周期热循环，以及高温氧化与热辐射共存条件下的材料老化过程，强调高温中红外材料面对的是随时间不断演化的热与化学耦合服役环境，而非静态温度条件。随后，从中红外反射、发射与透过三个维度解析其核心光学机制：反射主要来源于自由载流子的电磁屏蔽行为，决定低发射率表面的热反射能力；发射则主要受晶格振动、声子极化激元共振以及吸收损耗控制，是高温辐射热释放的主要来源；透过性能则依赖材料内部吸收系数、界面反射和散射损耗的协同控制，是构建红外窗口与透射系统的关键基础。更重要的是，图中进一步揭示温度升高所引发的缺陷迁移、载流子浓度变化、声子寿命变化、表面氧化层生成及粗糙化演化，会持续改变材料近表面的介电响应，从而导致中红外光谱发生动态漂移。由此可见，材料的高温中红外性能本质上是温度场、缺陷化学、晶格动力学与环境暴露共同作用下形成的耦合结果。该图因此建立了从行星热环境到光谱响应，再到材料结构稳定性的完整物理链条，为后续不同材料体系的分类比较与应用分析提供了统一理论依据。
图2 行星热环境、中红外辐射机制与材料稳定性之间的物理关联示意图
面向行星环境的高温中红外材料分类与结构响应机制
图3进一步从材料体系层面建立了高温耐受型中红外材料的分类框架，突出强调不同材料家族的中红外功能并非由单一成分决定，而是由键合特征、电子结构、晶格振动、缺陷状态与环境稳定性共同控制。该图将面向行星环境的高温中红外材料归纳为共价及超强键合固体、极性陶瓷与声子主导材料、难熔碳化物与超高温陶瓷、适用于氧化行星环境的金属态氧化物、碳基架构与近灰体辐射体等代表性类别，体现出从“组成分类”向“机制分类”的转变。其中，共价及超强键合固体依赖高键能、宽禁带和高热导率维持高温结构稳定性，并在红外窗口、选择性发射和热稳定光子器件中具有优势；极性陶瓷则以晶格振动和声子极化激元为主导，通过可调声子共振实现中红外选择性吸收与发射，适用于高温辐射涂层和热控表面；难熔碳化物与超高温陶瓷凭借极高熔点、强共价-金属混合键合及优异抗烧蚀能力，在行星进入热防护和高热流辐射耗散中具有突出价值；金属态氧化物则兼具载流子调控与氧化环境稳定性，可在高温氧化气氛中保持低发射或选择性反射行为；碳基近灰体材料则通过π电子结构、缺陷诱导吸收和多尺度界面散射形成宽带高发射特征，适合高效辐射散热与热能释放。由此，不仅展示了不同材料类别的结构图谱，更揭示了其主导光学损耗机制与行星环境适配逻辑，为后续从材料本征稳定性、表面演化行为和任务需求出发筛选高温中红外材料提供了清晰依据。
图3 面向行星环境的高温中红外材料分类及其结构响应机制示意图
高温耐受型中红外材料的光学功能与热稳定性数据图谱
图4将高温中红外材料性能数据转化为光学功能、热稳定性二维对比图谱，系统揭示了不同材料体系在行星任务中的性能边界与适配场景。该图的核心意义在于不再单独比较某一材料的最高发射率、最低发射率或透过率，而是将光谱功能与可承受温度区间同步考量，从而判断其是否具备真实地外服役潜力。图中可以看出，强键合共价材料与极性陶瓷体系在高温稳定高发射方向表现突出，说明声子主导吸收与稳定晶格结构能够协同实现高温辐射散热，适用于月面/火星基础设施热平衡、被动辐射冷却和废热释放等场景。相比之下，透过型材料主要集中于化学稳定、强键合或相稳定窗口明确的体系，其优势并非全波段透明，而是在特定红外窗口内维持可用透过率，更适合原位光谱探测、红外窗口和高温传感系统。低发射率或高反射材料则体现出另一类权衡关系，导电氧化物和金属态氧化物可在含氧环境中保持一定载流子调控能力，但其长期性能高度依赖界面稳定性、表面平整性和反应层控制；部分难熔碳化物、氮化物及超高温陶瓷涂层虽然可实现极低发射率，却常受限于氧化粗糙化、尺度孔隙和表面化学演化，说明真正限制其行星应用的并非本征晶格耐温性，而是中红外作用深度范围内近表面结构的稳定保持。此外，碳基和低维可调材料展示出宽范围发射率调控能力，但其热稳定窗口相对有限，更适合受保护的光子器件或短时功能场景。总体而言，建立了一个面向行星任务的材料筛选坐标系，清楚表明高温中红外材料的工程价值取决于目标光谱功能是否能够在任务热与化学历史中长期保持，而其共同瓶颈集中在缺陷漂移、界面反应、表面粗糙化与散射损耗等近表面演化过程。
图4 高温中红外材料光学功能与热稳定性协同分布的综合数据图谱
高温中红外材料面向地外应用的挑战与未来展望
图5系统总结了高温中红外材料迈向真实地外应用仍面临的关键科学挑战与未来发展方向，也是全文从材料综述走向应用前瞻的重要收束。该图强调，高温中红外材料未来竞争的核心已不再是获得更高的反射率、更高的发射率或更宽的透过窗口，而是如何在复杂行星环境中长期保持稳定、可预测的光谱功能。首先，图中指出光学作用深度尺度内的近表面退化仍缺乏系统认知。中红外响应往往受限于微米甚至更浅尺度内的表面粗糙度、氧化层厚度、缺陷富集区及亚表层损伤，但现有研究通常只报道宏观光谱数据，缺乏对光学响应与近表面结构演化之间一一对应关系的同步表征，使本征介电响应与外部散射损耗难以有效区分。其次，材料在温度与化学势耦合空间中的稳定窗口仍缺少完整构建。在真实地外任务中，氧分压、碳活度、真空度、辐照条件及温度循环共同决定载流子浓度、空位分布与晶格振动状态演变，因此同一种材料可能在不同环境中表现出截然不同的反射、吸收或发射行为。与此同时，目前不同研究中的光谱测试波段、温度条件、气氛控制与服役时间尺度缺乏统一标准，使跨材料体系比较与任务级性能评估仍较困难。此外，界面结构、薄膜附着稳定性、热膨胀匹配及长周期机械可靠性仍是决定材料从实验室走向装备化部署的关键工程瓶颈。基于上述挑战，进一步提出未来发展方向应聚焦于原位高温光谱与结构协同表征、多场耦合环境模拟、面向任务边界条件的材料数据库构建，以及跨尺度界面与缺陷工程精准调控。总体而言，高温中红外材料未来的发展将从高性能材料筛选逐步转向面向行星任务环境的稳定性设计，推动其真正成为服务深空探测、地外热管理与未来星际基础设施的重要功能材料平台。
图5 高温中红外材料面向地外应用的关键挑战与未来发展方向示意图
结论与展望：综上，该综述系统构建了面向地外探测与星际基础设施的高温耐受型中红外材料理论框架，将中红外反射、发射与透过行为从传统光学性能表征进一步拓展为由辐射物理、热稳定性、缺陷演化与环境适应性共同决定的系统级材料能力。论文的重要意义不仅在于总结了不同高温中红外材料的代表体系与性能边界，更在于建立了从电子结构、载流子动力学、晶格振动到近表面微结构演化之间的统一物理逻辑，阐明了材料为何能够在极端热环境下保持稳定中红外响应，以及其失效往往源于光学作用深度范围内的界面退化、缺陷漂移与结构演变。该工作推动高温中红外材料研究由传统光谱性能优化向面向任务环境的稳定性设计转变，为材料筛选、结构设计与服役评价提供了可比较、可预测的理论基础。展望未来，随着月面基地建设、火星长期驻留、深空能源系统与高可靠红外光子平台不断发展，高温中红外材料将逐步从辅助功能材料演变为支撑任务实现的关键物质基础。未来研究需要进一步围绕原位高温光谱与结构协同表征、多场耦合环境模拟、跨尺度界面工程以及面向任务场景的标准化数据库构建展开，推动高温中红外材料在极端环境中的长期稳定服役与工程化部署，为未来地外热管理、红外感知、能源转换与星际基础设施发展提供坚实的材料支撑。
通讯作者简介：
万骏，武汉纺织大学特聘教授，化工学院院长助理，应化系副主任。湖北省高层次人才、武汉市青年科技计划。2008~2017年在华中科技大学获化学工程与工艺学士、物理电子学博士学位，师从周军教授、王中林院士。2017~2019年在华中科技大学从事光学工程博士后，师从唐江教授。2023~2024年国家公派新加坡南洋理工大学访问学者，合作导师为Lee Seok Woo教授。现任纺织新材料与先进加工全国重点实验室徐卫林院士团队骨干成员。以微波热冲击技术合成电催化与功能纤维材料为核心，聚焦纤维降解、中红外热管理及月壤相关研究，承担团队月壤研究项目执行负责人之一。主持国家自科基金、省自科基金、省教育厅、国家重点实验室、企业合作等科研项目10余项。以一作及通讯作者在Nat. Commun., One Earth, Angew. Chem. Int. Ed., Matter&Light, Nano-Micro Lett.等期刊发表学术论文70篇。主编国际专著3部，授权中国发明专利4件。担任新加坡Viser材料专家委员会委员、湖北省化学化工学会委员、市重点研发项目评审专家等，Nano-Micro Lett.、Carbon Energy、Exploration等多期刊青年编委。荣获Young Scientist Award、湖北省化学化工先进青年工作者、青年五四奖章、最美教师等。
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