理化所李明珠/江雷团队、化学所宋延林团队 Matter：受金龟子启发的高亮度彩色日间辐射制冷薄膜

学术 2024-11-17 11:16 江苏

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近期，中国科学院理化技术研究所李明珠/江雷团队和中国科学院化学研究所宋延林团队在彩色辐射制冷材料的研究中取得重要进展。受自然界金龟子鞘翅结构中分级结构的启发，该团队提出了一种基于分级多孔嵌套结构的彩色辐射制冷薄膜。该薄膜具有优异的太阳反射率和大气窗口发射率，能够实现高效制冷的同时提供亮丽、可定制和耐磨的彩色外观。该研究成果以“Brilliant Colorful Daytime Radiative Cooling Coating Mimicking Scarab Beetle”为题发表在《Matter》杂志上。

图1 具有分级多孔结构的彩色辐射制冷薄膜的设计。(A) 金龟子甲虫及其鞘翅结构的示意图；(B) SC-RC薄膜及其结构的示意图；温度测试中使用的汽车的照片(C)和红外图像(D)，覆盖有SC-RC薄膜的区域的温度比覆盖有商业彩色薄膜的区域低约21.2°C，比未覆盖的区域低约5.9°C。

辐射制冷技术通过大气透明窗口将热量释放到寒冷的外太空，作为一种新型的零能耗、无污染的冷却技术，有望替代传统高能耗的制冷设备（如空调），从而缓解日益严重的全球变暖和能源危机。具有高太阳反射率的白色日间辐射制冷材料可以在阳光直射下保持物体凉爽，大大扩展了辐射制冷技术的应用范围。但是，单调的白色辐射制冷材料的大面积应用一方面会导致光污染，对人眼健康造成威胁，另一方面无法满足人们对美学的追求。彩色辐射制冷器的出现促进了辐射制冷技术的进一步发展。相比于基于吸收产生的颜色（如引入染料、光致发光材料及共振吸收结构），基于反射产生的结构色可以避免由于在太阳波段吸收而增加的热负担，近年来受到了研究人员的广泛关注。通过将反射式结构色层引入到辐射制冷器中制备具有多层结构的彩色辐射制冷器虽然已有报道，但是这些多层结构由于界面附着力的问题很容易导致结构分层，且顶层的结构色容易被破坏。另外，有些彩色辐射制冷器需要使用贵金属或基于电子束沉积的制备方法，这不仅增加了成本，还妨碍了其大规模应用。同时，白色辐射制冷材料在可见光范围内具有宽光谱高反射的特性，而如何使材料在保持高的宽光谱反射的同时仍然能够在特定波长范围内具有高的特征反射峰，从而赋予材料亮丽的结构色也是其中一个难题。因此，他们本工作的目的就是开发一种制备方法简单、既能实现高效零能耗辐射制冷又能提供可定制、耐摩擦、亮丽彩色外观的辐射制冷材料。

受金龟子鞘翅中分级结构的多功能光学响应的启发，在本工作中研究团队通过结合纳米压印、相分离和自组装技术制备了一种具有分级多孔嵌套结构的结构色辐射制冷薄膜(SC-RC薄膜)，它可以同时实现亮丽的结构色和对太阳光的高散射。该SC-RC薄膜由分级多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基底和嵌在PMMA基底表面微凹坑中的胶体光子晶体组成。这种将胶体光子晶体嵌入微凹坑中的结构设计实现了胶体纳米颗粒在微凹坑中的限域组装，保障了结构色材料的组装有序度和厚度，减少了自组装带来的结构缺陷，赋予了材料亮丽的结构色。相比于平面基底上的光子晶体，在微凹坑中限域组装得到的光子晶体其结构色反射率提高了112.8%，半峰全宽减小了20.3 nm。通过改变组成光子晶体的胶体纳米粒子的直径，该SC-RC薄膜的颜色可以在整个可见光范围内按需调控。同时，得益于PMMA微凹坑框架的保护作用，该结构色的耐摩擦性能得到了显著提升。

图2 SC-RC薄膜的制备和表征。(A) SC-RC薄膜制备过程示意图；(B) SC-RC薄膜结构的SEM图；(C) 不同粒径的纳米颗粒制备的不同颜色的SC-RC薄膜；

图3 SC-RC薄膜结构色的耐摩擦性能。(A-B) 胶体纳米颗粒在平面基底和微凹坑基底上的组装形貌图；(C) 耐摩擦测试的装置图；(D-F) 平面基底上光子晶体和微凹坑基底上光子晶体摩擦前后的对比；

另外，由于分级多孔结构的高散射和材料的高红外发射的协同作用，该SC-RC薄膜表现出优异的太阳反射率和红外发射率，实现了高效的亚环境辐射制冷性能（指降温到环境温度以下的能力）。研究团队在户外测试了该SC-RC薄膜的亚环境冷却性能。实验结果表明该SC-RC薄膜在夜间显示出约10.2℃的亚环境降温，中午显示出约7.2℃的亚环境降温。最后，他们通过实验对比了分别使用SC-RC薄膜和商业沥青瓦作为屋顶时屋内温度的变化。测试结果表明，覆盖SC-RC薄膜的屋内温度在中午时比覆盖商业沥青瓦的屋内温度凉爽约6°C。

图4 SC-RC薄膜的制冷性能。(A-B) 户外测试装置图；(C-F) 户外实测降温效果；(G-H) SC-RC薄膜作为建筑围护的降温效果。

该工作提出了一种基于分级多孔嵌套结构的彩色辐射制冷薄膜。该薄膜在实现全天高效降温的同时还展示出了高饱和度、高亮度、耐摩擦的可定制彩色外观。由于分级多孔结构的设计和材料的高红外发射率，该彩色辐射制冷薄膜具有高的太阳反射率和红外发射率，能够在日间实现约7.2℃的亚环境降温。另外，由于微凹坑结构的存在能够对其内部的光子晶体起到保护作用，大大提升了该结构色的耐摩擦性能。该彩色辐射制冷薄膜具有优异的辐射制冷效果、高性能的颜色和可扩展的制备工艺，有望拓宽彩色辐射冷却器的应用范围。

该工作是团队近期在新型结构色材料构筑与结构色调控机制相关研究的最新进展之一。目前结构色材料在调控自由度少、动态响应速度慢、疲劳寿命短等问题上面临严峻挑战，阻碍了其进一步发展。在过去的几年里，团队创新性的提出了一种基于宏观拓扑形变和纳米周期结构协同作用的结构色调控机制（Angew. Chem. 2021, 60, 14307-14312；Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100915； Sci. Bull. 2023, 68, 276-283; Adv. Sci. 2023, 10, 2300347），成功解决了传统响应性结构色材料重复性差、响应慢等问题。此外，通过结构和材料设计，团队成功构筑了新型结构色材料，实现了对光场的多维度调控，并探究了其在多维信息存储及加密领域的应用（Sci. Adv. 2021,7,eabh1992; Adv. Mater. 2022, 34, 2107243; Sci. China Chem. 2023, 66, 3567–3575）。

中国科学院化学研究所为本工作的第一完成单位，中国科学院化学研究所博士生侯晓宇为论文的第一作者，中国科学院理化技术研究所李明珠研究员为该论文的通讯作者。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238524005435?dgcid=author