針對輻射制冷材料按需設計和精準加工難以實現(xiàn)的難題，南京大學唐少春教授團隊從白金龜（一種白色甲殼蟲，主要生活于熱帶地區(qū)）鱗片自降溫獲得啟發(fā)，通過理論模擬優(yōu)化及微納結(jié)構(gòu)仿制，提出了表面微納結(jié)構(gòu)全內(nèi)反射與內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)Mie散射相結(jié)合的策略，研制出一種具有表面序構(gòu)陣列和內(nèi)部三維孔結(jié)構(gòu)的輻射制冷薄膜材料，實現(xiàn)了特定波段內(nèi)超高反射率和中紅外發(fā)射率。研發(fā)的這種復合薄膜，在“大氣窗口”（波長8~13 μm）的平均紅外發(fā)射率達到~96%，在太陽光譜（波長0.3-2.5 μm）平均反射率高達~98%，高于國際上已報道隨機分布孔結(jié)構(gòu)輻射降溫聚合物的最高值，進一步揭示了雙光子序構(gòu)協(xié)同增強的微觀機制。
該研究獲得的薄膜在戶外試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異制冷效果。其表面序構(gòu)的制備是基于納米熱壓印技術(shù)，具有人工精準調(diào)控、效率高、成本低、工藝過程簡單、大面積結(jié)構(gòu)復制的均勻性和重復性良好、可規(guī)；忍攸c，可應用于戶外充電樁、LNG儲罐、汽車、建筑等零能耗降溫，對節(jié)能降碳、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有非常重要意義。相關成果以題為“Bioinspired Polymer Films with Surface Ordered Pyramid Arrays and 3D Hierarchical Pores for Enhanced Passive Radiative Cooling”在線發(fā)表在國際知名期刊ACS Nano上（ACS Nano, 2024, DOI: 10.1021/acsnano.3c12244）。南京大學為唯一通訊單位，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院直博生何佳駿為該論文的第一作者，南京大學唐少春教授為該論文的通訊作者。
圖1. 仿制白金龜鱗片雙光子序構(gòu)高性能輻射制冷膜材料的設計示意圖。
據(jù)統(tǒng)計，我國建筑能耗約占社會總能耗的1/3，其中以空調(diào)、冰箱為代表的傳統(tǒng)主動制冷降溫的能耗占絕大部分，它們不僅要消耗大量的電能和產(chǎn)生凈熱量，而且排放出大量CO2溫室氣體，也不適用于戶外場景。為了顯著降低傳統(tǒng)主動降溫的能耗，高效節(jié)能、環(huán)境友好的降溫材料及制冷技術(shù)研究尤為關鍵和迫切。
輻射制冷是一種零能耗的被動降溫技術(shù)，能夠在不需要外界能量輸入的情況下實現(xiàn)被動式的降溫。其工作原理：一方面通過反射0.3-2.5 μm波段的太陽光減少熱量吸收，另一方面材料自發(fā)地將熱量以紅外線的形式通過8-13 μm“透明大氣窗口”穿過大氣層，向低溫外太空傳遞實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。在已報道的輻射制冷材料中，通過在材料內(nèi)部制造納米/微米孔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高效Mie散射，進而提高材料對太陽光的反射能力。然而，僅通過優(yōu)化材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)對提升材料的反射能力已達上限，需要在此基礎上引入其它光子結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)反射率的進一步增強。例如，通過引入無機散射體改性可進一步優(yōu)化材料的反射率，然而無機顆粒的加入會影響材料內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，且顆粒的分散性和穩(wěn)定性不易控制；隨著服役時間的延長，顆粒的附著力下降最終導致材料失效。相比之下，通過表面微加工構(gòu)筑光子結(jié)構(gòu)，能夠有效地選擇性調(diào)控入射的太陽光，最終實現(xiàn)反射率的增強。
針對以上問題，本研究基于白金龜（一種白色甲殼蟲，主要生活于熱帶地區(qū)）鱗片的獨特結(jié)構(gòu)，通過仿生雙光子序構(gòu)實現(xiàn)高反射和高發(fā)射的優(yōu)化設計理念，提出了一種表面序構(gòu)陣列加內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同增強策略。揭示了仿生序構(gòu)對太陽光選擇作用機制，通過仿真模擬參數(shù)優(yōu)化，并利用現(xiàn)代人工微納精準加工技術(shù)，開發(fā)出全新的高性能仿生被動降溫薄膜材料。在太陽光譜（0.3-2.5 μm）平均反射率高達~98%，高于國際上已報道隨機分布孔結(jié)構(gòu)輻射降溫聚合物的最高值。
此外，本研究材料工藝簡單、加工成本低，適用于大規(guī)模批量化制備，提出的協(xié)同增強策略能擴展應用于其它聚合物，突破了輻射制冷薄膜按需設計的瓶頸。
如圖1所示，生活在熱帶區(qū)域的白金龜（這里是生物標本）背部呈現(xiàn)出亮白色，背部翅膀能有效地反射太陽光并具有優(yōu)異的紅外發(fā)射特性，即使在陽光暴曬下也能自降溫。受此啟發(fā)，團隊提出了一種表面序構(gòu)陣列加內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同策略，通過表面微結(jié)構(gòu)全內(nèi)反射與內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)Mie散射作用相結(jié)合，實現(xiàn)了仿生雙光子序構(gòu)對太陽光反射的有效調(diào)控增強。圖2為仿生對象白金龜鱗片的微觀結(jié)構(gòu)特征及光學表征。圖2a-f為不同放大倍數(shù)（從低到高）的SEM圖，全方位對白金龜鱗片的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析？梢郧逦赜^察到，其鱗片擁有獨特的表面結(jié)構(gòu)，主要是由尺寸形貌均一、相互疊加的微米片構(gòu)成（圖2a），單個微米片表面分布了大量傾斜的納米三角片陣列（圖2b-d）和內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)（圖2e-f）。在刮去鱗片之前，背部呈亮白色，其在太陽光波段的平均反射率高達80%以上；刮去鱗片后的白金龜背部變?yōu)榛液谏骄瓷渎实陀?0%，導致其在光照條件下沒有自降溫效果，熱成像對比也進一步表明了鱗片結(jié)構(gòu)對其光熱調(diào)控的重要性。
由于太陽光全天候不同方向的照射，鱗片表面的傾斜納米片陣列通過“四面集成”優(yōu)化為金字塔陣列。圖3為仿生結(jié)構(gòu)設計的理論計算，針對金字塔的尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化，確定底邊為4 μm的金字塔陣列結(jié)構(gòu)為最佳邊長；基于孔結(jié)構(gòu)的散射效率分析，確定了納米與微米孔結(jié)構(gòu)的組合能夠在全太陽波段實現(xiàn)最佳Mie散射。因此，理論計算結(jié)果證實了這一方案能最大程度地提高薄膜的反射率。
圖4a為仿生薄膜的制備流程圖，采用相分離與納米熱壓印技術(shù)相結(jié)合，具有工藝簡單、加工成本低，可大規(guī)模批量化制備的優(yōu)勢。從4b-4e看出，制備的薄膜表面具有金字塔狀的序構(gòu)陣列，對太陽光能夠有效全內(nèi)反射，而內(nèi)部均勻分布的納米/微米孔結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)Mie散射。雙光子結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，可最大程度地提高薄膜對入射太陽光的調(diào)控。
圖5.（a）仿生薄膜反射率和發(fā)射率測試結(jié)果；（b）日間和（c）夜間理論凈冷卻功率。
圖6.（a-f）戶外長期直曬下仿生薄膜的紅外熱成像圖及表面溫度隨時間變化曲線；（g）戶外降溫性能測試實驗裝置示意圖；（h）戶外降溫實驗的溫度及光照強度隨時間變化的趨勢。
受到熱帶白金龜自降溫及其鱗片的獨特微結(jié)構(gòu)啟發(fā)，團隊通過仿生雙光子序構(gòu)實現(xiàn)高反射和高發(fā)射的優(yōu)化設計理念，提出了一種表面序構(gòu)陣列加內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同增強策略，實現(xiàn)全內(nèi)反射與Mie散射協(xié)同增強。制備的仿生薄膜擁有超高的太陽反射率（98%），高于國際上已報道隨機分布孔結(jié)構(gòu)輻射降溫聚合物的最高值；薄膜在戶外試驗中也表現(xiàn)出優(yōu)異的輻射制冷性能。本研究提出的仿生雙光子序構(gòu)設計能夠擴展應用于其它聚合物材料，突破了輻射制冷薄膜按需設計瓶頸，為低成本、高效率、批量化制備高性能輻射制冷薄膜材料提供了新策略。
論文信息
Jiajun He, Qingyuan Zhang, Yaya Zhou, Yu Chen, Haixiong Ge, Shaochun Tang*. Bioinspired Polymer Films with Surface Ordered Pyramid Arrays and 3D Hierarchical Pores for Enhanced Passive Radiative Cooling. ACS Nano, 2024, DOI: 10.1021/acsnano.3c12244.
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12244
- 武漢大學陳朝吉/四川大學張偉 ACS Nano：仿生梯度水凝膠電解質(zhì)界面優(yōu)化構(gòu)筑穩(wěn)定鋅離子電池 2025-07-21
- 福州大學林騰飛副教授、福州大學附屬省立醫(yī)院鄭曉春教授團隊 Small：高亮度熒光仿生軟體致動器 2025-07-18
- 聚烯烴材料自修復領域的突破性進展 - 天津大學潘莉教授團隊 Macromolecules：仿生雙晶相協(xié)同設計實現(xiàn)高強度智能自修復 2025-07-17
- 中科大馮偉、港中大張立、馬普所Metin Sitti - PNAS Nexus: 場耦合雙光子聚合先進制造制備結(jié)構(gòu)色微納器件 2025-05-21
- 上科大董怡霄/范國平教授團隊等 ACS Materials Lett. : 雙光子3D打印可控微凝膠通道研究乳腺癌細胞遷移 2023-11-24
- 新加坡科技設計大學Joel Yang 教授團隊《Nano Lett.》：用于高分辨率可重構(gòu)納米光學的高剛度形狀記憶聚合物 2022-11-15
- 四川大學鄧華教授團隊《Adv. Mater.》：電介質(zhì)聚集誘導的穩(wěn)定光學性能用于低成本輻射制冷 2025-07-11
