國儀量子掃描電鏡助力高性能結構色輻射制冷薄膜微觀結構表征

針對上述瓶頸，大連理工大學張宇昂&唐炳濤團隊借助國儀量子掃描電鏡進行了深入研究，成功開發(fā)出兼具高制冷效率與豐富色彩的結構色輻射制冷薄膜。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快速浸涂技術，實現(xiàn)了大面積三維光子晶體（3DPC）結構色層的快速、可控制備。研究團隊巧妙地設計了雙層功能結構：頂層是利用單分散空心二氧化硅（SiO?）微球自組裝形成的3DPC結構色層，它通過物理結構而非化學染料產(chǎn)生鮮艷色彩，從根本上避免了因光熱轉換導致的制冷效率損失；底層則集成具有高太陽光散射效率的中空玻璃微珠（HGBs），能夠有效散射透過結構色層的剩余光線，從而將薄膜的整體太陽反射率提升至前所未有的高度。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為關鍵的成膜基體，不僅將3DPC和HGBs牢固地封裝在一起，賦予薄膜優(yōu)異的機械強度和環(huán)境穩(wěn)定性，其分子鏈的振動模式（如Si-O-Si鍵的對稱伸縮和彎曲振動）更在ATW波段提供了高紅外發(fā)射率，是實現(xiàn)高效輻射散熱的關鍵。

圖2 輻射制冷膜性能表征

在實際應用測試中，該薄膜展現(xiàn)出卓越的降溫效果：在通風的建筑模型屋頂，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，實現(xiàn)了超過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"問題提供了切實可行的方案。

圖3 輻射制冷膜降溫效果

除了卓越的光學與熱學性能，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，水接觸角達到119°，這得益于3DPC和HGBs共同構建的微納復合粗糙結構，使得水滴能夠輕易滾落并帶走表面灰塵，實現(xiàn)了優(yōu)異的自清潔功能，確保了長期戶外使用的制冷效率。薄膜還表現(xiàn)出強大的機械魯棒性，能夠承受拉伸、彎曲、扭曲等形變而不斷裂，并通過了高強度超聲波清洗、膠帶反復剝離以及棉布耐磨等嚴苛測試，結構色彩與光學性能均保持穩(wěn)定。此外，通過模擬強紫外線照射、高低溫循環(huán)（-65°C至120°C）等加速老化試驗，薄膜的各項性能指標均未出現(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構色膜往往耗時數(shù)天且面積受限。而該團隊開發(fā)的熱誘導快速浸涂技術，通過將基底加熱至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。結合后續(xù)的PDMS澆鑄固化，整個流程簡潔高效，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，已具備與市場上部分商業(yè)產(chǎn)品競爭的成本優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的工業(yè)化應用前景。

圖4 輻射制冷膜戶外服役性能

為了量化其節(jié)能效益，研究團隊利用EnergyPlus軟件對不同氣候區(qū)典型城市的辦公建筑進行了模擬分析。結果表明，將該薄膜應用于建筑屋頂，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，相當于每平方米每年可節(jié)省3.95–7.78度電，并相應減少2.11–4.17公斤的二氧化碳排放。這些數(shù)據(jù)充分證實了該材料在推動建筑領域“碳中和"目標實現(xiàn)方面的巨大潛力。

這項工作通過創(chuàng)新的材料設計與工藝突破，成功將結構色的美學價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械穩(wěn)定性，使其在建筑節(jié)能、汽車熱管理、戶外設備冷卻、通信機柜降溫乃至可持續(xù)糧食儲運等廣泛領域展現(xiàn)出巨大的應用價值，為未來綠色低碳生活開辟了新的美學與功能兼具的途徑。