转自今日新材料
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Biologically inspired shell-hollow particles
for designing efficient passive
all-sky radiative cooling
生物启发壳中空粒子设计高效被动全天辐射冷却
研究背景
冷却对于广泛的人类活动是必不可少的，例如建筑，食品保存，空调和数据处理。然而，广泛使用的基于压缩的冷却系统消耗大量电力并产生大量二氧化碳。被动辐射冷却（PRC）被认为是最有前途的冷却策略，不需要任何额外的能量输入，如电力、制冷剂或机械泵。实现PARC的关键是光学材料在中红外大气窗口（8-13 μm）具有高发射率，并设计了巧妙的结构，在太阳光谱范围（0.3-2.5 μm）内实现高反射率。传统的辐射冷却器通常采用光学结构和金属板设计。上部的微米光学结构具有高反射率，底部的金属可以有效反射太阳光。贵金属（银）的使用大大增加了冷却成本，并且不能直接应用于具有特定复杂形状的现有表面。由于大多数自然存在的热辐射材料都能吸收入射的太阳辐照度，因此不到10%的太阳吸收率就能抵消甚至超过红外辐射的冷却作用。因此，高效的全天PRC仍然是一个巨大的挑战。多孔聚合物已被证明是一种可行的策略，通过引入光散射空隙代替无机介电填料来增强光谱太阳反射率。
文章亮点
被动辐射冷却（PRC）作为满足未来冷却需求的最有前途的技术，引起了人们的广泛关注。然而，制造适合全天使用的高效、低成本辐射冷却器仍面临巨大挑战。本文以非洲白甲虫Goliathus goliatus为灵感，报道了一种基于混合方法的二次微纳壳-空心结构。由于壳体与内部空气的反射率不同，与均匀颗粒相比，散射光在芯（空气）与壳体（SiO2）的界面处光路发生变化，大部分光从颗粒中逃逸，表现出较强的内反射。该设计巧妙地将纳米级空心壳结构沉积在微米级空心壳结构表面，实现了较高的太阳反射率（95%）和优异的长波红外发射率（94%）。夜间和白天可分别达到7.8°C和4.7°C的亚环境冷却。采用软模板法可制备具有壳和空心结构的二氧化硅微球，该方法成熟、可靠、简单、廉价。本研究为高性能被动全天辐射制冷（PARC）的设计和制造提供了新的思路。
结果解析
图1. 仿生概念草图的灵感来自白色甲虫Goliathus goliatus背绒毛的微观结构。(a)特殊的两级空心圆柱结构和简化的白龟结构模型。(b)仿生概念Mie散射示意图。
图2. Goliathus goliatus高性能辐射冷却器的制备原理图及FDTD仿真结果。(a)编制原理图。(b) FDTD模拟了三种壳-空心结构和四种不同衬底(c)结构（固体结构、微米级壳-空心结构、纳米级壳- 空心结构和微纳次级壳-空心结构）的反射率光谱。(d)体积分数对散射效率的影响。
图3. 形态表征及孔径分布。(b)仿生冷却器的数字图像。a) 表面 d) 截面 c) 高倍率图像的扫描电镜。(e)提取白甲虫特殊绒毛结构的物理模型和我们的仿生模型。（f, g）分别为纳米尺度和微尺度壳中空结构SiO2颗粒粒径的统计分布。(h)不同厚度的太阳反射率。
结论与展望
综上所述，受golithus goliatus特殊光学结构的启发，我们设计了一种优化的仿生高性能被动体辐射冷却器。通过在微空心壳粒子外表面均匀嵌入纳米空心壳粒子，仿生冷却器具有超高的太阳反射率。在0.25 ~ 2.5 μm波段，大气透明窗的平均太阳反射率Rsolar和热发射率εIR分别达到95%和94%。室外辐射制冷性能试验表明，该涂料在夜间和白天可实现~7.8℃和~4.7℃的亚环境制冷，制冷能力优于市售白色涂料。性能的增强主要归功于独特的仿生结构，以最大限度地减少太阳热增益和提高辐射输出。此外，该技术在各种基材上提供了类似的油漆简单性，可以应用于各种户外设备。本研究提供了一种简单、廉价和可扩展的方法来制造具有优异PARC性能的仿生高性能冷却器，有望广泛应用于建筑冷却、汽车、冷链运输、大气水收集和个人热管理等领域，以减少化石能源的使用，改善健康。该策略在超高反射辐射冷却器的开发中具有很大的潜力。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.08.009
