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  近期，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所李明珠/江雷團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林團(tuán)隊(duì)在彩色輻射制冷材料的研究中取得重要進(jìn)展。受自然界金龜子鞘翅結(jié)構(gòu)中分級(jí)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于分級(jí)多孔嵌套結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷薄膜。該薄膜具有優(yōu)異的太陽(yáng)反射率和大氣窗口發(fā)射率，能夠?qū)崿F(xiàn)高效制冷的同時(shí)提供亮麗、可定制和耐磨的彩色外觀。該研究成果以“Brilliant Colorful Daytime Radiative Cooling Coating Mimicking Scarab Beetle”為題發(fā)表在《Matter》雜志上。

圖1 具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷薄膜的設(shè)計(jì)。(A) 金龜子甲蟲(chóng)及其鞘翅結(jié)構(gòu)的示意圖；(B) SC-RC薄膜及其結(jié)構(gòu)的示意圖；溫度測(cè)試中使用的汽車的照片(C)和紅外圖像(D)，覆蓋有SC-RC薄膜的區(qū)域的溫度比覆蓋有商業(yè)彩色薄膜的區(qū)域低約21.2°C，比未覆蓋的區(qū)域低約5.9°C。

  輻射制冷技術(shù)通過(guò)大氣透明窗口將熱量釋放到寒冷的外太空，作為一種新型的零能耗、無(wú)污染的冷卻技術(shù)，有望替代傳統(tǒng)高能耗的制冷設(shè)備（如空調(diào)），從而緩解日益嚴(yán)重的全球變暖和能源危機(jī)。具有高太陽(yáng)反射率的白色日間輻射制冷材料可以在陽(yáng)光直射下保持物體涼爽，大大擴(kuò)展了輻射制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍。但是，單調(diào)的白色輻射制冷材料的大面積應(yīng)用一方面會(huì)導(dǎo)致光污染，對(duì)人眼健康造成威脅，另一方面無(wú)法滿足人們對(duì)美學(xué)的追求。彩色輻射制冷器的出現(xiàn)促進(jìn)了輻射制冷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。相比于基于吸收產(chǎn)生的顏色（如引入染料、光致發(fā)光材料及共振吸收結(jié)構(gòu)），基于反射產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色可以避免由于在太陽(yáng)波段吸收而增加的熱負(fù)擔(dān)，近年來(lái)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。通過(guò)將反射式結(jié)構(gòu)色層引入到輻射制冷器中制備具有多層結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷器雖然已有報(bào)道，但是這些多層結(jié)構(gòu)由于界面附著力的問(wèn)題很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分層，且頂層的結(jié)構(gòu)色容易被破壞。另外，有些彩色輻射制冷器需要使用貴金屬或基于電子束沉積的制備方法，這不僅增加了成本，還妨礙了其大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，白色輻射制冷材料在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有寬光譜高反射的特性，而如何使材料在保持高的寬光譜反射的同時(shí)仍然能夠在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高的特征反射峰，從而賦予材料亮麗的結(jié)構(gòu)色也是其中一個(gè)難題。因此，他們本工作的目的就是開(kāi)發(fā)一種制備方法簡(jiǎn)單、既能實(shí)現(xiàn)高效零能耗輻射制冷又能提供可定制、耐摩擦、亮麗彩色外觀的輻射制冷材料。

圖3 SC-RC薄膜結(jié)構(gòu)色的耐摩擦性能。(A-B) 膠體納米顆粒在平面基底和微凹坑基底上的組裝形貌圖；(C) 耐摩擦測(cè)試的裝置圖；(D-F) 平面基底上光子晶體和微凹坑基底上光子晶體摩擦前后的對(duì)比；

圖4 SC-RC薄膜的制冷性能。(A-B) 戶外測(cè)試裝置圖；(C-F) 戶外實(shí)測(cè)降溫效果；(G-H) SC-RC薄膜作為建筑圍護(hù)的降溫效果。

  該工作提出了一種基于分級(jí)多孔嵌套結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷薄膜。該薄膜在實(shí)現(xiàn)全天高效降溫的同時(shí)還展示出了高飽和度、高亮度、耐摩擦的可定制彩色外觀。由于分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的高紅外發(fā)射率，該彩色輻射制冷薄膜具有高的太陽(yáng)反射率和紅外發(fā)射率，能夠在日間實(shí)現(xiàn)約7.2℃的亞環(huán)境降溫。另外，由于微凹坑結(jié)構(gòu)的存在能夠?qū)ζ鋬?nèi)部的光子晶體起到保護(hù)作用，大大提升了該結(jié)構(gòu)色的耐摩擦性能。該彩色輻射制冷薄膜具有優(yōu)異的輻射制冷效果、高性能的顏色和可擴(kuò)展的制備工藝，有望拓寬彩色輻射冷卻器的應(yīng)用范圍。

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期在新型結(jié)構(gòu)色材料構(gòu)筑與結(jié)構(gòu)色調(diào)控機(jī)制相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。目前結(jié)構(gòu)色材料在調(diào)控自由度少、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、疲勞壽命短等問(wèn)題上面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。在過(guò)去的幾年里，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性的提出了一種基于宏觀拓?fù)湫巫兒图{米周期結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的結(jié)構(gòu)色調(diào)控機(jī)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），成功解決了傳統(tǒng)響應(yīng)性結(jié)構(gòu)色材料重復(fù)性差、響應(yīng)慢等問(wèn)題。此外，通過(guò)結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)筑了新型結(jié)構(gòu)色材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光場(chǎng)的多維度調(diào)控，并探究了其在多維信息存儲(chǔ)及加密領(lǐng)域的應(yīng)用（Sci. Adv. 2021,7,eabh1992; Adv. Mater. 2022, 34, 2107243; Sci. China Chem. 2023, 66, 3567–3575）。

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