隨著全球氣溫不斷攀升，建筑空調(diào)系統(tǒng)消耗了全球約10%的電力，加劇了能源危機。開發(fā)零能耗的冷卻技術(shù)因此成為當務(wù)之急。被動輻射冷卻技術(shù)因其近乎零能耗的運行潛力而備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的輻射冷卻材料（如超白涂層）雖能實現(xiàn)低于環(huán)境溫度的冷卻，但其固有的不透明性阻礙了在窗戶、天窗等透明建筑部件中的應(yīng)用。現(xiàn)有的透明輻射冷卻方案，如有機聚合物薄膜或銀基多層結(jié)構(gòu)，又往往存在可見光透光率顯著下降、附著力差或制備工藝難以規(guī)?；葐栴}。因此，開發(fā)兼具高透明度、高效冷卻性能及強機械穩(wěn)定性的輻射冷卻材料，是該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。

近日，吉林大學任露泉院士團隊韓志武教授、牛士超教授和李博教授合作，受人體皮膚分層結(jié)構(gòu)和熱管理機制的啟發(fā)，研究人員成功開發(fā)出一種生物啟發(fā)被動輻射冷卻器。該材料在保持與裸玻璃相當?shù)?9.5%高可見光透透率的同時，紫外線屏蔽能力提高了34%，紅外發(fā)射率提高了3%。在653.35 W/m2的垂直輻照下，其最大降溫幅度達7.4°C，模擬節(jié)能效率高達11.5%。此外，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機械耐久性，與基底的粘接強度達0.5 MPa。這項工作為大規(guī)模生產(chǎn)高性能透明輻射冷卻材料提供了可行策略，在節(jié)能建筑和光伏系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。相關(guān)論文以“Bioinspired Passive Radiative Cooler with Superior Transparency and Durability for Energy-Efficient Building”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

研究的靈感來源于人體皮膚這一高效的熱調(diào)節(jié)器官。皮膚的多層緊密結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了從內(nèi)向外的定向熱傳遞，其皮下黑色素還能在紫外線照射下產(chǎn)生屏蔽保護作用。仿照這些特性，研究團隊設(shè)計并制備了一種三層結(jié)構(gòu)的透明輻射冷卻器件。該器件由頂層的聚酰亞胺膜、中間層的氧化鋅納米球涂層和底層的玻璃基底構(gòu)成。聚酰亞胺層富含苯環(huán)等官能團，提供了增強的紅外發(fā)射率和紫外線吸收能力；中間的氧化鋅層模仿了皮膚的交錯分層結(jié)構(gòu)，顯著提升了膜與基底的附著力；整個器件還表現(xiàn)出不對稱的熱傳遞行為，優(yōu)先將熱量從室內(nèi)導向室外。

圖1：生物啟發(fā)被動輻射冷卻器件的靈感來源。 (a) 人體手部模型。 (b) 人體皮膚的分層結(jié)構(gòu)模型。 (c) 人體皮膚的輻射冷卻效率占總散熱量的60%。 (d) 皮下組織中的黑色素。 (e, f) 被動輻射冷卻器件的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計。 (g) 被動輻射冷卻器件中的功能基團可實現(xiàn)紫外線和紅外線屏蔽。 (h) 被動輻射冷卻器件在節(jié)能建筑窗戶和光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用。 (i) 戶外測試顯示，覆蓋被動輻射冷卻器件的樣品相比玻璃最高可降溫7.4°C。

在制備與光學性能方面，研究通過優(yōu)化氧化鋅和聚酰亞胺層的厚度與工藝參數(shù)，實現(xiàn)了波長選擇性的光學調(diào)制。器件在可見光波段（0.4-0.78 μm）透光率與裸玻璃幾乎相同，同時在紫外線和中紅外波段具有較低的透射率（即屏蔽效果），并在大氣窗口波段（如8-13 μm）表現(xiàn)出比裸玻璃更高的發(fā)射率，整體發(fā)射率達76.8%，確保了其在陽光下的輻射冷卻性能。

圖2：被動輻射冷卻器件的制備、表征與光學性能。 (a) 被動輻射冷卻器件的制備過程。 (b) 樣品的透射率。 (c) 不同旋涂速度下，氧化鋅層對樣品透射率的影響。 (d) 不同厚度聚酰亞胺膜的透射率模擬。 (e) 本工作制備的被動輻射冷卻樣品與商用聚酰亞胺膜的對比。 (f) 被動輻射冷卻器件的實物照片和微觀結(jié)構(gòu)截面表征。 (g) 4種樣品在紫外、可見和近紅外波段的透射率。 (h) 4種樣品在測試波段（0.2-15 μm）的紅外發(fā)射率。

研究人員進一步測試了器件的不對稱熱傳遞性能。實驗和模擬結(jié)果表明，當薄膜面朝上時，器件導熱和散熱能力增強，熱量更容易從基底傳遞至外界；而當薄膜面朝下時，反向熱流則受到抑制。這種“泵送-輻射”效應(yīng)源于其功能梯度設(shè)計：氧化鋅中間層緊密粘合聚酰亞胺與玻璃，形成了從基底到頂層的優(yōu)先熱傳導路徑，同時頂層聚酰亞胺的高發(fā)射率能高效地將傳導來的熱量輻射出去。

圖3：被動輻射冷卻器件的不對稱熱傳遞能力及制備參數(shù)選擇。 (a) 測試裝置示意圖。 (b) 兩種狀態(tài)下的角度依賴性發(fā)射率及紅外圖像。 (c) 薄膜面朝上時，6種樣品與裸玻璃的溫度差。 (d) 薄膜面朝下時，6種樣品與裸玻璃的溫度差。 (e) 兩種測試狀態(tài)之間的溫度差。 (f) 薄膜面朝下時的COMSOL熱傳遞模擬。 (g) 薄膜面朝上時的COMSOL熱傳遞模擬。 (h) 兩種狀態(tài)下的熱導率。 (i) 兩種狀態(tài)下的熱擴散率。 (j) 薄膜面朝下時的模擬溫度。 (k) 薄膜面朝上時的模擬溫度。

機械耐久性對于實際應(yīng)用至關(guān)重要。經(jīng)過長達30天的流水沖刷測試，該仿生輻射冷卻器件的外觀和透光率幾乎未受影響，而單一的氧化鋅涂層或聚酰亞胺膜則分別出現(xiàn)了涂層減薄或表面起泡等現(xiàn)象。粘接力測試顯示，該器件的中心區(qū)域粘附力高達50 N，遠超單一聚酰亞胺膜（約20 N），且沖刷后性能保持穩(wěn)定，證明了其優(yōu)異的機械魯棒性。

圖4：被動輻射冷卻器件的機械耐久性。 (a-c) 3種樣品在沖洗前后的透射率。 (d) 粘附力測試期間的接觸界面示意圖。 (e) 被動輻射冷卻器件在測試過程中的界面失效示意圖。 (f) 聚酰亞胺膜在測試過程中的界面失效示意圖。 (g) 被動輻射冷卻器件在測試過程中的圖像。 (h) 測試后（被動輻射冷卻器件）掛鉤表面的狀況。 (i) 聚酰亞胺器件在測試過程中的圖像。 (j) 測試后（聚酰亞胺器件）掛鉤表面的狀況。 (k-n) 聚酰亞胺器件（k, l）和被動輻射冷卻器件（m, n）中心區(qū)域在沖洗前后的應(yīng)力-位移曲線。

戶外實際冷卻性能測試顯示，在日光照射下，覆蓋該器件的密封測試箱內(nèi)部最高溫度比覆蓋裸玻璃的測試箱低7.4°C，平均降溫2.4°C。模擬研究還評估了其在不同氣候城市（如巴黎、內(nèi)羅畢等）建筑模型中的應(yīng)用潛力，結(jié)果顯示每月制冷節(jié)能最高可達918.6 MJ，在巴黎的相對節(jié)能率高達11.5%。此外，該器件透過的光線色顯指數(shù)Ra和R9均超過95，光線顏色接近白光，適合光學應(yīng)用。

圖5：被動輻射冷卻器件的戶外冷卻性能。 (a) 測試設(shè)備的實物圖，內(nèi)部貼有溫度傳感器并覆蓋保溫層。 (b) 四種測試設(shè)備在整個白天的實時溫度曲線；圖中的條形圖代表當前的太陽輻照度。 (c) 每30分鐘記錄的環(huán)境溫度，以及同時刻四種設(shè)備的溫度。 (d) 與(c)同時刻的照度。 (e) 8個代表性城市的地理位置、緯度和經(jīng)度。 (f) 基于8個城市天氣數(shù)據(jù)模擬得出的、使用被動輻射冷卻器件的建筑模型的月制冷節(jié)能量和節(jié)能百分比。

在應(yīng)用演示中，該器件被用于覆蓋裝有熱水的容器和商用太陽能電池板。結(jié)果顯示，它能加速無日照條件下的熱耗散，并能在模擬日照下將太陽能電池板的工作溫度降低約1.5°C，從而提高其光電轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓，證明了其在熱管理和光伏冷卻方面的實用價值。

圖6：被動輻射冷卻器件的被動冷卻能力。 (a) 被動輻射冷卻器件示意圖，包括增強的散熱性能和提升的光電轉(zhuǎn)換效率。 (b) 冷卻設(shè)備在3分鐘和30分鐘時的實際狀態(tài)。 (c) 同時刻冷卻設(shè)備的紅外熱圖像。 (d) 兩種設(shè)備的溫度。 (e) 封裝好的太陽能電池板。 (f) 兩種樣品在測試開始和結(jié)束時的紅外熱圖像。 (g) 覆蓋不同樣品的太陽能電池板表面溫度及輸出電壓。

綜上所述，這項研究成功研制出一種集高透明度、高效被動輻射冷卻、強紫外線屏蔽和優(yōu)異機械耐久性于一體的仿生材料。其最大7.4°C的日間降溫能力和高達11.5%的節(jié)能效率，為透明建筑圍護結(jié)構(gòu)和光伏系統(tǒng)提供了一種零能耗的熱管理創(chuàng)新方案，展現(xiàn)出巨大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景，有望為應(yīng)對全球能源挑戰(zhàn)和減緩氣候變化做出貢獻。