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  近期，中國科學院理化技術研究所李明珠/江雷團隊和中國科學院化學研究所宋延林團隊在彩色輻射制冷材料的研究中取得重要進展。受自然界金龜子鞘翅結(jié)構(gòu)中分級結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該團隊提出了一種基于分級多孔嵌套結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷薄膜。該薄膜具有優(yōu)異的太陽反射率和大氣窗口發(fā)射率，能夠?qū)崿F(xiàn)高效制冷的同時提供亮麗、可定制和耐磨的彩色外觀。該研究成果以“Brilliant Colorful Daytime Radiative Cooling Coating Mimicking Scarab Beetle”為題發(fā)表在《Matter》雜志上。

圖1 具有分級多孔結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷薄膜的設計。(A) 金龜子甲蟲及其鞘翅結(jié)構(gòu)的示意圖；(B) SC-RC薄膜及其結(jié)構(gòu)的示意圖；溫度測試中使用的汽車的照片(C)和紅外圖像(D)，覆蓋有SC-RC薄膜的區(qū)域的溫度比覆蓋有商業(yè)彩色薄膜的區(qū)域低約21.2°C，比未覆蓋的區(qū)域低約5.9°C。

  輻射制冷技術通過大氣透明窗口將熱量釋放到寒冷的外太空，作為一種新型的零能耗、無污染的冷卻技術，有望替代傳統(tǒng)高能耗的制冷設備（如空調(diào)），從而緩解日益嚴重的全球變暖和能源危機。具有高太陽反射率的白色日間輻射制冷材料可以在陽光直射下保持物體涼爽，大大擴展了輻射制冷技術的應用范圍。但是，單調(diào)的白色輻射制冷材料的大面積應用一方面會導致光污染，對人眼健康造成威脅，另一方面無法滿足人們對美學的追求。彩色輻射制冷器的出現(xiàn)促進了輻射制冷技術的進一步發(fā)展。相比于基于吸收產(chǎn)生的顏色（如引入染料、光致發(fā)光材料及共振吸收結(jié)構(gòu)），基于反射產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色可以避免由于在太陽波段吸收而增加的熱負擔，近年來受到了研究人員的廣泛關注。通過將反射式結(jié)構(gòu)色層引入到輻射制冷器中制備具有多層結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷器雖然已有報道，但是這些多層結(jié)構(gòu)由于界面附著力的問題很容易導致結(jié)構(gòu)分層，且頂層的結(jié)構(gòu)色容易被破壞。另外，有些彩色輻射制冷器需要使用貴金屬或基于電子束沉積的制備方法，這不僅增加了成本，還妨礙了其大規(guī)模應用。同時，白色輻射制冷材料在可見光范圍內(nèi)具有寬光譜高反射的特性，而如何使材料在保持高的寬光譜反射的同時仍然能夠在特定波長范圍內(nèi)具有高的特征反射峰，從而賦予材料亮麗的結(jié)構(gòu)色也是其中一個難題。因此，他們本工作的目的就是開發(fā)一種制備方法簡單、既能實現(xiàn)高效零能耗輻射制冷又能提供可定制、耐摩擦、亮麗彩色外觀的輻射制冷材料。

圖3 SC-RC薄膜結(jié)構(gòu)色的耐摩擦性能。(A-B) 膠體納米顆粒在平面基底和微凹坑基底上的組裝形貌圖；(C) 耐摩擦測試的裝置圖；(D-F) 平面基底上光子晶體和微凹坑基底上光子晶體摩擦前后的對比；

圖4 SC-RC薄膜的制冷性能。(A-B) 戶外測試裝置圖；(C-F) 戶外實測降溫效果；(G-H) SC-RC薄膜作為建筑圍護的降溫效果。

  該工作提出了一種基于分級多孔嵌套結(jié)構(gòu)的彩色輻射制冷薄膜。該薄膜在實現(xiàn)全天高效降溫的同時還展示出了高飽和度、高亮度、耐摩擦的可定制彩色外觀。由于分級多孔結(jié)構(gòu)的設計和材料的高紅外發(fā)射率，該彩色輻射制冷薄膜具有高的太陽反射率和紅外發(fā)射率，能夠在日間實現(xiàn)約7.2℃的亞環(huán)境降溫。另外，由于微凹坑結(jié)構(gòu)的存在能夠?qū)ζ鋬?nèi)部的光子晶體起到保護作用，大大提升了該結(jié)構(gòu)色的耐摩擦性能。該彩色輻射制冷薄膜具有優(yōu)異的輻射制冷效果、高性能的顏色和可擴展的制備工藝，有望拓寬彩色輻射冷卻器的應用范圍。

  該工作是團隊近期在新型結(jié)構(gòu)色材料構(gòu)筑與結(jié)構(gòu)色調(diào)控機制相關研究的最新進展之一。目前結(jié)構(gòu)色材料在調(diào)控自由度少、動態(tài)響應速度慢、疲勞壽命短等問題上面臨嚴峻挑戰(zhàn)，阻礙了其進一步發(fā)展。在過去的幾年里，團隊創(chuàng)新性的提出了一種基于宏觀拓撲形變和納米周期結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的結(jié)構(gòu)色調(diào)控機制（Angew. Chem. 2021, 60, 14307-14312；Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100915； Sci. Bull. 2023, 68, 276-283; Adv. Sci. 2023, 10, 2300347），成功解決了傳統(tǒng)響應性結(jié)構(gòu)色材料重復性差、響應慢等問題。此外，通過結(jié)構(gòu)和材料設計，團隊成功構(gòu)筑了新型結(jié)構(gòu)色材料，實現(xiàn)了對光場的多維度調(diào)控，并探究了其在多維信息存儲及加密領域的應用（Sci. Adv. 2021,7,eabh1992; Adv. Mater. 2022, 34, 2107243; Sci. China Chem. 2023, 66, 3567–3575）。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238524005435?dgcid=author