综述：仿生毛发状双层表面实现高效的被动日间辐射冷却

《Progress in Organic Coatings》：Bioinspired hair-like bilayer surface for efficient passive daytime radiative cooling

被动日间辐射冷却（PDRC）材料因高太阳能反射率和红外发射率的应用潜力备受关注，但存在加工复杂、基板选择受限和机械强度不足等问题。本文仿生设计并制备了一种双层表面结构（BHBS），通过刮涂和静电聚集体方法实现，优化后太阳能反射率达91.7%，可见光反射率97%，中红外发射率97.5%，冷却功率84 W/m2，温度下降9°C，同时具备优异耐磨性和柔韧性，为PDRC应用提供了新方案。

　　

陈申|孙帅|张慧|张忠

中国科学院纳米系统与层次结构制造重点实验室及纳米科学卓越中心，国家纳米科学技术中心，北京，100190，中国

摘要

被动式日间辐射冷却（PDRC）材料因其在发电、热管理等方面的潜在应用而受到广泛关注。然而，加工复杂性、基材选择以及较差的机械强度限制了其应用。受到昆虫毛发状结构的启发，我们通过刮涂和静电簇集技术设计并制备了一种仿生毛发状双层表面（BHBS）。优化后的样品在0.3–2.5 μm波长范围内的平均太阳反射率为91.7%，平均可见光反射率为97%，在8–13 μm波长范围内的平均中红外发射率为97.5%。其冷却功率可达84 W/m2，温度下降约9°C。BHBS样品还表现出优异的耐磨性和良好的柔韧性，是PDRC的理想候选材料。

引言

全球变暖的趋势是不可逆的。为了降低建筑物温度，迫切需要主动和被动冷却技术[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。PDRC材料在0.3–2.5 μm波长范围内具有高太阳反射率，并且在大气透明窗口（ATW，8–13 μm）内具有强热发射率。由于这种冷却方式是被动式的，不需要能量输入，因此近年来PDRC材料越来越受欢迎[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。

研究人员探索了多种开发PDRC材料的策略，包括由不同类型和厚度的多层薄膜组成的光子结构[15]、[16]、[17]、超材料[18]、[19]、[20]以及多孔结构[21]、[22]、[23]、冷却织物[24]、[25]和聚合物复合涂层[26]。尽管这些材料展示了有效的冷却性能，但其实际应用仍受到多种因素的限制。光子材料和超材料通常需要复杂的、成本高昂的微纳制造工艺，并且在严格的加工条件下生产。多孔材料通常机械强度较低，耐磨性有限；冷却织物往往较厚且粘附力较弱[27]、[28]、[29]。相比之下，聚合物复合涂层制备简单、成本低廉，粘附性良好且具有长期有效性，因此更适合大规模应用[30]。然而，大多数关于聚合物复合涂层的研究集中在调节太阳反射率上，针对中红外光谱区域的研究相对较少[31]。

自然界提供了许多由层次结构表面实现的被动热调节的例子。撒哈拉银蚁表皮上的密集三角形毛发能够同时增强太阳反射率并保持高中红外发射率，在强烈的阳光下实现高效的辐射冷却[32]、[33]。同样，新大角虫（Neocerambyx gigas）外壳上的双尺度毛发状绒毛在角质层和空气之间创造了逐渐变化的折射率过渡，减少了光学阻抗不匹配，促进了热辐射[15]。

基于这些发现，我们通过刮涂和静电簇集技术设计并制备了一种仿生毛发状双层表面（BHBS）。BHBS由高反射率的底层和毛发状发射层组成；这两层都通过模拟和实验进行了优化，以确保同时具备高太阳反射率和高中红外发射率。BHBS在户外环境中展示了出色的PDRC效果。

部分摘录

BHBS的设计原理

图1a和b展示了自然界中的两种代表性层次结构，为我们的仿生设计提供了灵感。撒哈拉银蚁的表皮上覆盖着密集排列的三角形毛发，长度通常为200–300 μm，基部宽度约为3.5 μm，其上表面有纳米凹槽（深度：约60 nm；间距：约200 nm）。这种多尺度形态促进了多次内部反射和入射阳光的强烈后向散射，从而显著提高了太阳反射率[32]。

结论

受生物毛发状表面的启发，我们设计并开发了一种用于被动式日间辐射冷却的BHBS，该材料结合了刮涂而成的反射底层（厚度150–200 μm，TiO?直径230 nm，与PDMS的质量比为4:10）和静电簇集而成的尼龙纤维上层（直径15 μm，长度500 μm，面积密度为20 g/m2）。优化后的BHBS在0.3–2.5 μm波长范围内的太阳反射率为91.7%，可见光反射率为97%，在8–13 μm波长范围内的中红外发射率为97.5%

材料

用于制备基体的PDMS（Sylgard 184）购自Dow Corning有限公司。金红石型TiO?购自杜邦公司（R103，平均粒径：0.23 μm，油因子：14 g/100 g）。直径为15 μm的连续白色尼龙纤维（SWN，东莞二发毛绒有限公司）被切碎以获得短纤维。

底层的制备

称取2 g金红石型TiO?纳米颗粒、5 g PDMS和0.5 g PDMS固化剂，然后放入真空消泡混合器中，以800 r/min的速度搅拌5分钟

CRediT作者贡献声明

陈申：撰写 – 原始稿撰写、可视化处理、数据整理、概念构思。孙帅：软件开发、数据分析、形式化分析。张慧：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。张忠：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中奥合作研究与发展项目（GJHZ2043）和国家重点项目（编号MJZ5-2N22）的财政支持。