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  近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所李明珠/江雷團(tuán)隊(duì)和中國科學(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)中分級結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于分級多孔嵌套結(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)。具有高太陽反射率的白色日間輻射制冷材料可以在陽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)用一方面會導(dǎo)致光污染，對人眼健康造成威脅，另一方面無法滿足人們對美學(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波段吸收而增加的熱負(fù)擔(dān)，近年來受到了研究人員的廣泛關(guān)注。通過將反射式結(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發(fā)一種制備方法簡單、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比；

圖4 SC-RC薄膜的制冷性能。(A-B) 戶外測試裝置圖；(C-F) 戶外實(shí)測降溫效果；(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、動態(tài)響應(yīng)速度慢、疲勞壽命短等問題上面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。在過去的幾年里，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)慢等問題。此外，通過結(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)了對光場的多維度調(diào)控，并探究了其在多維信息存儲及加密領(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