被动辐射冷却（PRC）由于具有零能耗和零污染的特点，被认为是一种有前景的冷却技术，特别是具有操纵光-物质相互作用的人工光子材料更有利于被动辐射冷却。然而，具有受生物启发结构、超强特性和高通量的辐射冷却材料的可扩展生产仍然具有挑战性。因此，研究者设计了一种仿生设计，结合表面有序金字塔阵列和内部三维分层孔，在模仿白甲虫翅膀自然光子结构的基础上，用于高效率的辐射冷却。采用可扩展相分离和快速热压工艺制备了底部边长为4 μm的表面有序金字塔阵列和内部有大量纳米孔的生物光子薄膜。优化的孔隙结构和表面增强光子阵列，使受生物启发的薄膜具有平均98%的太阳反射率和高达96%的红外发射率，测得该薄膜可使白天的气温比环境温度低8.8℃。除了显著的辐射冷却性能外，生物膜还具有优异的柔韧性、强机械性能和疏水性。因此，它可以应用于许多复杂的户外场景。这项工作为开发高效的被动冷却装置提供了一种高效的、可大规模制备的途径。相关工作以Bioinspired Polymer Films with Surface Ordered Pyramid Arrays and 3D Hierarchical Pores for Enhanced Passive Radiative Cooling发表在ACS Nano 期刊。
图1：从白甲虫衍生到具有特殊光学结构的生物启发膜的仿生概念示意图
图2：白甲虫的特征。（a和b）白色鳞片顶视图的扫描电子显微镜图像。（c和d）倾斜三角形纳米片的顶视图和正视图的扫描电子显微镜图像。（e和f）解剖鳞片的扫描电子显微镜图像。(g) 模拟阳光照射下白色甲虫（鳞片的一侧被刮掉）的红外热图像;插图是白色甲虫的数码照片。(h) 在模拟阳光照射下缩放前后白甲虫的实时表面温度跟踪。(i) 白甲虫缩放前后的光谱太阳反射率。
图3：提出的生物启发模型和模拟优化。(a) 倾斜纳米片阵列和金字塔阵列结构的光谱太阳反射率模拟值。(b) 不同表面结构（平面、立方体、球体和金字塔阵列）的光谱太阳反射率模拟值。(c) 不同尺寸金字塔结构的光谱太阳反射率模拟值。“多孔和金字塔”结构、“实心和扁平”结构和“多孔和扁平”在不同的射入角（d）和不同的波长（e）下的光谱太阳反射率模拟值。(f) P的复折射率（VladF-SPP）与波长（0.25 - 15.8 μm）的函数关系。（g-i）0.3 - 2.5 μm范围内孔直径的散射效率的数值模拟，其中孔直径在0.1至18 μm之间变化。
图4：生物启发电影的示意性制备插图和形态特征。(a) 生物启发电影制备过程的示意图。(b) 生物启发薄膜顶表面的扫描电子显微镜图像。(c) 生物启发电影横剖面的扫描电子显微镜图像。纳米孔直径（d）和纳米孔直径（e）的尺寸分布。
图5：生物启发薄膜的光学性能和理论净冷却能力。(a) 生物激发薄膜的光谱太阳反射率和中红外发射率。生物激发薄膜白天（b）和夜间（c）净冷却功率的理论计算。
图6：生物启发薄膜的室外辐射冷却性能。（a-f）在阳光照射下放置在白板（a，b）、木材（c，d）和黑色皮革（e，f）上的生物启发薄膜的红外热图像和实时表面温度跟踪。(g) 室外辐射冷却实验设置示意图。(h) 55小时长期室外降温实验的实时温度数据。
小结：研究展示了白甲虫的鳞片结构引起的被动冷却效应。受白色鳞片特殊光学结构的启发，论文提出了一种优化的仿生概念，将表面有序的金字塔阵列结构和内部的多孔结构集成在一起。基于仿生理念，通过相分离和快速压制相结合的方式加工出生物启发辐射冷却膜，是一种高效、方便的方法。表面有序金字塔阵列和内部3D多孔结构的协同作用使生物启发薄膜的太阳反射率达到98%，结合其高中红外发射率的特性，生物启发薄膜在白天表现出出色的被动辐射冷却效果。此外，该生物启发膜还表现出出色的机械强度、灵活性和疏水性，因此可以保形地集成到各种户外设备中。由于其出色的冷却性能和高效的处理方法，生物启发薄膜有望成为被动辐射冷却的杰出设备平台。更重要的是，论文提出的将表面阵列和内部三维分层孔相结合的策略可以扩展到其他聚合物辐射冷却材料。通过卷对卷和流延法制备的具有内部光子结构的聚合物薄膜可以通过热压法进一步加工成表面阵列结构。因此，所提出的策略在开发超高反射率辐射冷却器方面具有巨大潜力。
论文信息：He, J., Zhang, Q., Zhou, Y., Chen, Y., Ge, H., & Tang, S. (2024). Bioinspired Polymer Films with Surface Ordered Pyramid Arrays and 3D Hierarchical Pores for Enhanced Passive Radiative Cooling. ACS Nano, 18(17), 11120-11129.https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12244
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