針對輻射制冷材料按需設計和精準加工難以實現的難題，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）鱗片自降溫獲得啟發，通過理論模擬優化及微納結構仿制，提出了表面微納結構全內反射與內部孔結構Mie散射相結合的策略，研制出一種具有表面序構陣列和內部三維孔結構的輻射制冷薄膜材料，實現了特定波段內超高反射率和中紅外發射率。研發的這種復合薄膜，在“大氣窗口”（波長8~13 μm）的平均紅外發射率達到~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構輻射降溫聚合物的最高值，進一步揭示了雙光子序構協同增強的微觀機制。
該研究獲得的薄膜在戶外試驗中表現出優異制冷效果。其表面序構的制備是基于納米熱壓印技術，具有人工精準調控、效率高、成本低、工藝過程簡單、大面積結構復制的均勻性和重復性良好、可規模化等特點，可應用于戶外充電樁、LNG儲罐、汽車、建筑等零能耗降溫，對節能降碳、優化產業結構具有非常重要意義。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高性能輻射制冷膜材料的設計示意圖。
據統計，我國建筑能耗約占社會總能耗的1/3，其中以空調、冰箱為代表的傳統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。為了顯著降低傳統主動降溫的能耗，高效節能、環境友好的降溫材料及制冷技術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，能夠在不需要外界能量輸入的情況下實現被動式的降溫。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能量的轉移。在已報道的輻射制冷材料中，通過在材料內部制造納米/微米孔結構可以實現高效Mie散射，進而提高材料對太陽光的反射能力。然而，僅通過優化材料內部的孔結構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構來實現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化材料的反射率，然而無機顆粒的加入會影響材料內部多孔結構，且顆粒的分散性和穩定性不易控制；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，通過表面微加工構筑光子結構，能夠有效地選擇性調控入射的太陽光，最終實現反射率的增強。
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）鱗片的獨特結構，通過仿生雙光子序構實現高反射和高發射的優化設計理念，提出了一種表面序構陣列加內部多孔結構的協同增強策略。揭示了仿生序構對太陽光選擇作用機制，通過仿真模擬參數優化，并利用現代人工微納精準加工技術，開發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構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，適用于大規模批量化制備，提出的協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，生活在熱帶區域的白金龜（這里是生物標本）背部呈現出亮白色，背部翅膀能有效地反射太陽光并具有優異的紅外發射特性，即使在陽光暴曬下也能自降溫。受此啟發，團隊提出了一種表面序構陣列加內部多孔結構的協同策略，通過表面微結構全內反射與內部孔結構Mie散射作用相結合，實現了仿生雙光子序構對太陽光反射的有效調控增強。圖2為仿生對象白金龜鱗片的微觀結構特征及光學表征。圖2a-f為不同放大倍數（從低到高）的SEM圖，全方位對白金龜鱗片的微觀結構進行了分析。可以清晰地觀察到，其鱗片擁有獨特的表面結構，主要是由尺寸形貌均一、相互疊加的微米片構成（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）和內部多孔結構（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為灰黑色，平均反射率低于60%，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構對其光熱調控的重要性。
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”優化為金字塔陣列。圖3為仿生結構設計的理論計算，針對金字塔的尺寸參數進行了優化，確定底邊為4 μm的金字塔陣列結構為最佳邊長；基于孔結構的散射效率分析，確定了納米與微米孔結構的組合能夠在全太陽波段實現最佳Mie散射。因此，理論計算結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相結合，具有工藝簡單、加工成本低，可大規模批量化制備的優勢。從4b-4e看出，制備的薄膜表面具有金字塔狀的序構陣列，對太陽光能夠有效全內反射，而內部均勻分布的納米/微米孔結構能夠實現Mie散射。雙光子結構的協同作用，可最大程度地提高薄膜對入射太陽光的調控。
圖5.（a）仿生薄膜反射率和發射率測試結果；（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構啟發，團隊通過仿生雙光子序構實現高反射和高發射的優化設計理念，提出了一種表面序構陣列加內部多孔結構的協同增強策略，實現全內反射與Mie散射協同增強。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構輻射降溫聚合物的最高值；薄膜在戶外試驗中也表現出優異的輻射制冷性能。本研究提出的仿生雙光子序構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
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