針對(duì)上述瓶頸，大連理工大學(xué)張宇昂&唐炳濤團(tuán)隊(duì)借助國(guó)儀量子掃描電鏡進(jìn)行了深入研究，成功開發(fā)出兼具高制冷效率與豐富色彩的結(jié)構(gòu)色輻射制冷薄膜。該研究以題為"Thermally Induced Rapid, Scalable Fabrication of Structural-Colored Radiative Cooling Films with High Cooling Efficiency"的論文發(fā)表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。

該研究核心在于一種熱誘導(dǎo)快速浸涂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大面積三維光子晶體（3DPC）結(jié)構(gòu)色層的快速、可控制備。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了雙層功能結(jié)構(gòu)：頂層是利用單分散空心二氧化硅（SiO?）微球自組裝形成的3DPC結(jié)構(gòu)色層，它通過(guò)物理結(jié)構(gòu)而非化學(xué)染料產(chǎn)生鮮艷色彩，從根本上避免了因光熱轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的制冷效率損失；底層則集成具有高太陽(yáng)光散射效率的中空玻璃微珠（HGBs），能夠有效散射透過(guò)結(jié)構(gòu)色層的剩余光線，從而將薄膜的整體太陽(yáng)反射率提升至前所未有的高度。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為關(guān)鍵的成膜基體，不僅將3DPC和HGBs牢固地封裝在一起，賦予薄膜優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和環(huán)境穩(wěn)定性，其分子鏈的振動(dòng)模式（如Si-O-Si鍵的對(duì)稱伸縮和彎曲振動(dòng)）更在ATW波段提供了高紅外發(fā)射率，是實(shí)現(xiàn)高效輻射散熱的關(guān)鍵。

圖2 輻射制冷膜性能表征

在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，該薄膜展現(xiàn)出卓越的降溫效果：在通風(fēng)的建筑模型屋頂，可使室內(nèi)溫度比環(huán)境溫度降低約10°C；而在模擬密閉車廂的極端環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)17°C的降溫，將內(nèi)部溫度從52.5°C有效抑制在32.5°C左右，為解決夏季車輛“桑拿房"問(wèn)題提供了切實(shí)可行的方案。

圖3 輻射制冷膜降溫效果

除了卓越的光學(xué)與熱學(xué)性能，該薄膜的多功能性與耐久性同樣出色。其表面呈現(xiàn)出超疏水特性，水接觸角達(dá)到119°，這得益于3DPC和HGBs共同構(gòu)建的微納復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，使得水滴能夠輕易滾落并帶走表面灰塵，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的自清潔功能，確保了長(zhǎng)期戶外使用的制冷效率。薄膜還表現(xiàn)出強(qiáng)大的機(jī)械魯棒性，能夠承受拉伸、彎曲、扭曲等形變而不斷裂，并通過(guò)了高強(qiáng)度超聲波清洗、膠帶反復(fù)剝離以及棉布耐磨等嚴(yán)苛測(cè)試，結(jié)構(gòu)色彩與光學(xué)性能均保持穩(wěn)定。此外，通過(guò)模擬強(qiáng)紫外線照射、高低溫循環(huán)（-65°C至120°C）等加速老化試驗(yàn)，薄膜的各項(xiàng)性能指標(biāo)均未出現(xiàn)明顯退化，證明了其出色的環(huán)境耐受性。

該研究在制備工藝上實(shí)現(xiàn)了重大突破，為產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。傳統(tǒng)的重力沉降或浸涂法制備結(jié)構(gòu)色膜往往耗時(shí)數(shù)天且面積受限。而該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的熱誘導(dǎo)快速浸涂技術(shù)，通過(guò)將基底加熱至60°C并輔以10 cm/s的高速提拉，利用馬蘭戈尼效應(yīng)加速粒子自組裝，可在短短30分鐘內(nèi)完成大面積（38 cm × 58 cm）光子晶體膜的制備。結(jié)合后續(xù)的PDMS澆鑄固化，整個(gè)流程簡(jiǎn)潔高效，易于放大。據(jù)初步估算，該薄膜的材料成本僅為每平方米約2.7美元，已具備與市場(chǎng)上部分商業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的成本優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出巨大的工業(yè)化應(yīng)用前景。

圖4 輻射制冷膜戶外服役性能

為了量化其節(jié)能效益，研究團(tuán)隊(duì)利用EnergyPlus軟件對(duì)不同氣候區(qū)典型城市的辦公建筑進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，將該薄膜應(yīng)用于建筑屋頂，可在5月至10月的制冷季內(nèi)，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)的冷卻能耗14.21–28.03 MJ/m2。這一節(jié)能效果換算成電力，相當(dāng)于每平方米每年可節(jié)省3.95–7.78度電，并相應(yīng)減少2.11–4.17公斤的二氧化碳排放。這些數(shù)據(jù)充分證實(shí)了該材料在推動(dòng)建筑領(lǐng)域“碳中和"目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方面的巨大潛力。

這項(xiàng)工作通過(guò)創(chuàng)新的材料設(shè)計(jì)與工藝突破，成功將結(jié)構(gòu)色的美學(xué)價(jià)值與輻射制冷的高效節(jié)能功能融為一體，開發(fā)出一種性能卓越、色彩可調(diào)、耐候性強(qiáng)且成本低廉的新型薄膜材料。其快速可規(guī)模化的制備工藝、優(yōu)異的自清潔能力和機(jī)械穩(wěn)定性，使其在建筑節(jié)能、汽車熱管理、戶外設(shè)備冷卻、通信機(jī)柜降溫乃至可持續(xù)糧食儲(chǔ)運(yùn)等廣泛領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值，為未來(lái)綠色低碳生活開辟了新的美學(xué)與功能兼具的途徑。