隨著全球能源需求不斷增長，被動式白天輻射制冷技術(shù)因其零能耗冷卻潛力，在建筑節(jié)能、電子熱管理等領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有材料往往面臨可擴(kuò)展性、耐久性與性能之間的固有矛盾：精密光子結(jié)構(gòu)難以大規(guī)模生產(chǎn)，天然生物材料耐久性不足，無機(jī)玻璃或陶瓷則缺乏柔性與加工性。全聚合物光子晶體雖具潛力，但受限于聚合物間折射率對比度低、亞100納米層制備困難、界面易剝離及機(jī)械強(qiáng)度不足等挑戰(zhàn)，其發(fā)展長期受阻。

近期，四川大學(xué)郭少云教授、李春海副研究員、趙海波教授和鄭州大學(xué)王建峰副教授合作，通過自組裝梯度納米層共擠出聚甲基丙烯酸甲酯和聚萘二甲酸乙二醇酯，并結(jié)合雙軸拉伸工藝，成功制備出可擴(kuò)展的高性能全聚合物光子晶體薄膜。該薄膜擁有約1500層的梯度納米層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了95.4%的太陽光反射率和93.4%的中紅外發(fā)射率，在980 W/m2的太陽輻照下可實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度11℃的冷卻效果。同時，其拉伸強(qiáng)度達(dá)約103.8 MPa，韌性約54.9 MJ/m3，楊氏模量約2.9 GPa，機(jī)械性能顯著超越現(xiàn)有聚合物基輻射冷卻材料。該無溶劑連續(xù)生產(chǎn)工藝為耐用、高性能的聚合物冷卻薄膜提供了可行的工業(yè)化路徑。相關(guān)論文以“Scalable All-Polymer Photonic Crystals for Daytime Radiative Cooling”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊首先通過理論模擬闡明了設(shè)計原理。由于聚合物折射率對比度有限，為實(shí)現(xiàn)寬光譜反射，需采用多堆疊梯度結(jié)構(gòu)。模擬顯示，通過設(shè)計16個線性梯度堆疊，每個堆疊包含16個聚合物層對，可在可見光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)近乎全反射。為覆蓋整個太陽光譜，研究人員進(jìn)一步通過熱層壓將三個不同厚度的512層薄膜堆疊復(fù)合，形成總層數(shù)約1500、梯度厚度約50至400納米的整體結(jié)構(gòu)，從而在理論上實(shí)現(xiàn)了全光譜高反射。

圖1：APPC薄膜的設(shè)計原理與模擬光學(xué)性能。 （A）目標(biāo)中心波長為600 nm的單層PEN/PMMA多層堆疊的理論反射帶。（B）實(shí)現(xiàn)近乎全反射所需的最小周期數(shù)以及歸一化光子帶隙寬度與折射率比的依賴關(guān)系。（C）常見光學(xué)透明熱塑性塑料與無機(jī)介電材料的折射率。（D）16堆疊梯度結(jié)構(gòu)示意圖，梯度比為2.16，每堆疊含16個層對。（E）覆蓋可見光譜的優(yōu)化堆疊配置。（F）優(yōu)化多堆疊結(jié)構(gòu)的可見光譜理論反射率。（G）實(shí)現(xiàn)全太陽光譜覆蓋的復(fù)合結(jié)構(gòu)策略：通過熱層壓三種不同總厚度的離散薄膜堆疊。（H）單個及復(fù)合結(jié)構(gòu)的理論太陽光譜反射率（左：帶隙偏移機(jī)制；右：反射性能）。

薄膜的制備融合了梯度納米層共擠出、雙軸拉伸與卷對卷熱層壓三步連續(xù)工藝。專用共擠出系統(tǒng)通過梯度層倍增元件生成具有精確厚度梯度的多層結(jié)構(gòu)，隨后通過雙軸拉伸使層厚均勻減薄并提升折射率對比度，最后將不同厚度的薄膜堆疊熱壓復(fù)合。所得薄膜呈現(xiàn)銀白色金屬光澤，可見光反射率超過98%，并能如鏡面般清晰反射圖像，直觀展現(xiàn)了其優(yōu)異的光學(xué)性能。

圖2：APPC薄膜的可擴(kuò)展制造。 （A）集成梯度納米層共擠出、雙軸拉伸和卷對卷熱層壓的工業(yè)化制造流程。（B）用于生產(chǎn)APPC薄膜中多層堆疊的定制梯度納米層共擠出系統(tǒng)。（C）自立式柔性APPC薄膜（0.5×0.5米），因高可見光反射率呈現(xiàn)金屬光澤。（D）薄膜對智能手機(jī)顯示的向日葵圖像的鏡面反射，驗(yàn)證了其寬光譜鏡面反射能力。

微觀結(jié)構(gòu)分析證實(shí)，薄膜內(nèi)納米層排列整齊，梯度分布與設(shè)計高度吻合。光學(xué)測試表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了95.4%的太陽光譜反射率和93.4%的大氣窗口紅外發(fā)射率。理論計算顯示，在無對流條件下，其凈冷卻功率可達(dá)111.3 W/m2，平衡溫降超過20℃。戶外實(shí)測中，薄膜在980 W/m2太陽輻照下實(shí)現(xiàn)了低于環(huán)境溫度11℃的冷卻效果，在汽車表面應(yīng)用時可比未覆蓋區(qū)域降低20℃。建筑能耗模擬進(jìn)一步預(yù)測，在全球多個城市使用該薄膜作為建筑外層，平均可節(jié)約68.7%的制冷能耗。

圖3：APPC薄膜的形貌與光學(xué)特性。 （A1）使用非晶Co-PEN作為熱粘合層將三個離散堆疊層壓成整體APPC薄膜的示意圖。（A2）僅顯示復(fù)合APPC中堆疊1的納米層結(jié)構(gòu)。（A3-A6）顯示梯度結(jié)構(gòu)的高分辨率截面圖像。（B）堆疊1中層厚分布的定量分析，證實(shí)其與設(shè)計梯度比2.16相符。（C）全光譜反射率測量顯示，集成三個堆疊拓寬了反射帶寬，覆蓋整個太陽光譜，達(dá)到95.4%的太陽反射率。（D）結(jié)合全光譜數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)熱模型，量化不同非輻射傳熱系數(shù)下的凈冷卻功率和最大溫降。（E）晝夜條件下計算的冷卻性能。

圖4：低于環(huán)境溫度的輻射冷卻性能與應(yīng)用。 （A）用于低于環(huán)境溫度冷卻測量的現(xiàn)場測試裝置示意圖。（B）APPC覆蓋腔體與環(huán)境的實(shí)時戶外溫度曲線。（C）無覆蓋與APPC覆蓋腔體的溫度演變。（D）相應(yīng)的熱紅外成像圖。（E-G）汽車尺度演示：無覆蓋與APPC覆蓋車輛的照片、熱圖像及溫度跟蹤對比。（H-I）基于全球22個城市的模擬，顯示APPC作為最外層建筑覆膜所能實(shí)現(xiàn)的全年制冷節(jié)能潛力與能耗對比。

在機(jī)械性能與耐久性方面，該薄膜表現(xiàn)出色。雙軸拉伸誘導(dǎo)的結(jié)晶與納米層結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，使其韌性、強(qiáng)度與模量大幅提升，一條僅3克的薄膜條可承受58公斤的重量。經(jīng)過相當(dāng)于一年佛羅里達(dá)日曬的加速紫外老化、高溫、水沖及戶外暴露測試后，薄膜仍能保持近乎完全的太陽反射率和大部分機(jī)械性能，顯示出卓越的環(huán)境穩(wěn)定性。

圖5：APPC的機(jī)械強(qiáng)度與環(huán)境耐久性。 （A）未拉伸PEN、PMMA與APPC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（B）PEN、PMMA與APPC的斷裂形貌照片與SEM圖像。（C）APPC與已報道PDRC材料在韌性與拉伸強(qiáng)度方面的性能對比。（D）承重演示：一條3克的APPC條帶抬起一位58公斤的人。（E）環(huán)境測試后太陽反射率與機(jī)械性能的保持率。（F）極端紫外輻照1300小時前后的反射光譜對比。

綜上所述，該研究通過連續(xù)梯度納米層共擠出-雙軸拉伸-熱層壓工藝，成功克服了全聚合物光子晶體在折射率對比度、納米層制備及光-機(jī)性能權(quán)衡方面的根本性障礙，制備出兼具高效冷卻、超強(qiáng)機(jī)械與良好耐久性的薄膜。這項(xiàng)無溶劑平臺將納米光子設(shè)計與工業(yè)規(guī)模制造相銜接，為輻射冷卻技術(shù)在實(shí)際能源應(yīng)用中的推廣提供了切實(shí)可行的材料解決方案。