针对辐射制冷材料按需设计和精准加工难以实现的难题，南京大学唐少春教授团队从白金龟（一种白色甲壳虫，主要生活于热带地区）鳞片自降温获得启发，通过理论模拟优化及微纳结构仿制，提出了表面微纳结构全内反射与内部孔结构Mie散射相结合的策略，研制出一种具有表面序构阵列和内部三维孔结构的辐射制冷薄膜材料，实现了特定波段内超高反射率和中红外发射率。研发的这种复合薄膜，在“大气窗口”（波长8~13 μm）的平均红外发射率达到~96%，在太阳光谱（波长0.3-2.5 μm）平均反射率高达~98%，高于国际上已报道随机分布孔结构辐射降温聚合物的最高值，进一步揭示了双光子序构协同增强的微观机制。

  该研究获得的薄膜在户外试验中表现出优异制冷效果。其表面序构的制备是基于纳米热压印技术，具有人工精准调控、效率高、成本低、工艺过程简单、大面积结构复制的均匀性和重复性良好、可规模化等特点，可应用于户外充电桩、LNG储罐、汽车、建筑等零能耗降温，对节能降碳、优化产业结构具有非常重要意义。相关成果以题为“Bioinspired Polymer Films with Surface Ordered Pyramid Arrays and 3D Hierarchical Pores for Enhanced Passive Radiative Cooling”在线发表在国际知名期刊ACS Nano上（ACS Nano, 2024, DOI: 10.1021/acsnano.3c12244）。南京大学为唯一通讯单位，南京大学现代工程与应用科学学院直博生何佳骏为该论文的第一作者，南京大学唐少春教授为该论文的通讯作者。

图1. 仿制白金龟鳞片双光子序构高性能辐射制冷膜材料的设计示意图。

  据统计，我国建筑能耗约占社会总能耗的1/3，其中以空调、冰箱为代表的传统主动制冷降温的能耗占绝大部分，它们不仅要消耗大量的电能和产生净热量，而且排放出大量CO₂温室气体，也不适用于户外场景。为了显著降低传统主动降温的能耗，高效节能、环境友好的降温材料及制冷技术研究尤为关键和迫切。

  辐射制冷是一种零能耗的被动降温技术，能够在不需要外界能量输入的情况下实现被动式的降温。其工作原理：一方面通过反射0.3-2.5 μm波段的太阳光减少热量吸收，另一方面材料自发地将热量以红外线的形式通过8-13 μm“透明大气窗口”穿过大气层，向低温外太空传递实现能量的转移。在已报道的辐射制冷材料中，通过在材料内部制造纳米/微米孔结构可以实现高效Mie散射，进而提高材料对太阳光的反射能力。然而，仅通过优化材料内部的孔结构对提升材料的反射能力已达上限，需要在此基础上引入其它光子结构来实现反射率的进一步增强。例如，通过引入无机散射体改性可进一步优化材料的反射率，然而无机颗粒的加入会影响材料内部多孔结构，且颗粒的分散性和稳定性不易控制；随着服役时间的延长，颗粒的附着力下降最终导致材料失效。相比之下，通过表面微加工构筑光子结构，能够有效地选择性调控入射的太阳光，最终实现反射率的增强。

  针对以上问题，本研究基于白金龟（一种白色甲壳虫，主要生活于热带地区）鳞片的独特结构，通过仿生双光子序构实现高反射和高发射的优化设计理念，提出了一种表面序构阵列加内部多孔结构的协同增强策略。揭示了仿生序构对太阳光选择作用机制，通过仿真模拟参数优化，并利用现代人工微纳精准加工技术，开发出全新的高性能仿生被动降温薄膜材料。在太阳光谱（0.3-2.5 μm）平均反射率高达~98%，高于国际上已报道随机分布孔结构辐射降温聚合物的最高值。

  此外，本研究材料工艺简单、加工成本低，适用于大规模批量化制备，提出的协同增强策略能扩展应用于其它聚合物，突破了辐射制冷薄膜按需设计的瓶颈。

  图4a为仿生薄膜的制备流程图，采用相分离与纳米热压印技术相结合，具有工艺简单、加工成本低，可大规模批量化制备的优势。从4b-4e看出，制备的薄膜表面具有金字塔状的序构阵列，对太阳光能够有效全内反射，而内部均匀分布的纳米/微米孔结构能够实现Mie散射。双光子结构的协同作用，可最大程度地提高薄膜对入射太阳光的调控。

图5.（a）仿生薄膜反射率和发射率测试结果；（b）日间和（c）夜间理论净冷却功率。

图6.（a-f）户外长期直晒下仿生薄膜的红外热成像图及表面温度随时间变化曲线；（g）户外降温性能测试实验装置示意图；（h）户外降温实验的温度及光照强度随时间变化的趋势。

  受到热带白金龟自降温及其鳞片的独特微结构启发，团队通过仿生双光子序构实现高反射和高发射的优化设计理念，提出了一种表面序构阵列加内部多孔结构的协同增强策略，实现全内反射与Mie散射协同增强。制备的仿生薄膜拥有超高的太阳反射率（98%），高于国际上已报道随机分布孔结构辐射降温聚合物的最高值；薄膜在户外试验中也表现出优异的辐射制冷性能。本研究提出的仿生双光子序构设计能够扩展应用于其它聚合物材料，突破了辐射制冷薄膜按需设计瓶颈，为低成本、高效率、批量化制备高性能辐射制冷薄膜材料提供了新策略。

  论文信息

  Jiajun He, Qingyuan Zhang, Yaya Zhou, Yu Chen, Haixiong Ge, Shaochun Tang*. Bioinspired Polymer Films with Surface Ordered Pyramid Arrays and 3D Hierarchical Pores for Enhanced Passive Radiative Cooling. ACS Nano, 2024, DOI: 10.1021/acsnano.3c12244.

  https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12244