经典文章回顾——哈尔滨工业大学：具有仿生人体皮肤皱纹结构的高效辐射制冷涂层

研究背景

随着人类文明的进步和经济的快速发展，为确保舒适的生活环境，人们对冷却条件的要求不断增加。然而，当前的制冷方式不仅消耗大量能量，而且对环境造成严重破坏。作为新兴的环境友好型冷却技术，被动式日间辐射制冷（RC）可以强烈反射太阳辐射，将红外热量辐射到外太空，实现环境温度降低的效果。目前认为表面结构和涂层的结合是设计具有高性能RC涂层的涂层类型的可行方法。然而，由于制备技术复杂、成本高和效率低，RC材料在规模化生产方面面临巨大挑战。因此，哈尔滨工业大学王富强教授团队与帅永教授、英国诺丁汉大学Yan Yuying教授团队合作研发并测试了一种有效的仿生RC涂层（Bio-RC涂层），该涂层具有包含BaSO4和SiO2颗粒的自然褶皱。团队使用Bio-RC涂层实现了约95%的与衬底无关的半球反射率（Rsolar）和约96%的发射率（εatm）。这些值表明了所提出涂层的显著性能，此冷却性能与之前报告的研究中的冷却性能相当或超过。与普通建筑相比，涂有Bio-RC涂层的建筑室内最高平均气温降低了6.2℃、最大空调节电率超过50%。此外，该涂层显示出优异的基材适应性、颜色延展性和耐候性，因此适合大规模商业应用。

相关研究成功以题为“Efficient radiative cooling coating with biomimetic human skin wrinkle structure”发表在国际能源环境前列期刊《Nano Energy》（IF=18.984）上。

研究结果

本文研究了将仿生褶皱结构与优化粒子相结合，以实现太阳波段和“大气窗口”波段的有效光学特性调节。还进行了光学特性和室外辐射冷却性能测试。文章展示了具有人体皮肤自然皱纹仿生结构的辐射冷却涂层，包括高浓度的BaSO4和SiO2颗粒。其中厚度约为100µm的Bio-RC涂层可反射约95%的太阳辐射（0.3–2.5µm），对“大气窗”波段（8.0–13.0µm）的发射率约为96%。中午时分，在位于海平面的人口稠密地区，记录到的平均冷却功率为85.3 W/m2，最多可实现比环境温度低8.1℃的降温效果。与普通建筑相比，涂有Bio-RC涂层的建筑室内最高平均气温降低了6.2℃，空调的最大节电率超过50%。此外，该涂层显示出优异的基材适应性、颜色延展性、耐候性，成本仅为1.8＄/m2，因此适合大规模商业应用。为高性能辐射冷却材料的设计、制造和应用提供了新的思路。

研究数据

图1. 皮肤（A）人类面部皮肤照片。（B）局部放大的皮肤视图。（C）蒙皮结构示意图。（D）人体在8–13µm时的发射率。D中的虚线表示91.5%的平均发射率。（E）Bio-RC涂层的基本工作原理和原理图。（F）Bio-RC涂层的流程图。

图2.生物RC涂层和平面RC涂层的模拟光学特性的比较。（A）太阳反射率的比较。（B）Bio-RC涂层的散射系数，插图是光在单个粒子之间传播时的电磁场。插图：BaSO4颗粒。（C）的光强度二维分布横截面图（光的电场分量或电场的绝对值的平方）。（D）Bio-RC和平面RC涂层示意图；9.6µm的电磁场分布。（E）模拟发射率的比较。（F）不同入射角下“大气窗口”中模拟发射率的比较。

图 3.Bio-RC涂层的制备和表征。（A）Bio-RC涂料的制备。（B）左下：Bio-RC涂层的图像；左上：SEM截面图，右上：Bio-RC涂层的SEM图像。（C）Bio-RC涂层中BaSO4和SiO2颗粒的尺寸分布，平均直径分别为约0.4和约4.0µm。（D） 光学显微镜拍摄的辐射冷却涂层的表面形态图像。（E）光学显微镜3D扫描模式下涂层表面的图像。

图4.Bio-RC涂层的测试光学性能和日间辐射冷却（RC）性能。（A）单个测试设备示意图。（B）日间RC性能控制实验装置照片。（C）标准化ASTM G173全球太阳光谱和“大气窗”光谱中生物RC涂层和平面涂层的实验反射率（1-发射率）。（D）空气和Bio-RC涂层在阳光直射下的时间温度数据和（E）Bio-RC涂料的亚环境温度降（ΔT）。E中的虚线表示平均ΔT为5.1℃。（F–H）详细平均太阳总辐照度，Isolar（F）；相对湿度（G）；以及在实验中测量的RC功率（H）；F-H中每条曲线的平均值分别为803W/m2、26.1%和85.3W/m2，如相应图表中的虚线所示。

图5.具有/不具有生物RC涂层的建筑物的实验结果比较。（A）两栋装有空调的测试大楼的照片；左侧建筑的屋顶涂有Bio-RC涂层，而右侧建筑未涂有Bio-ReC涂层。补充材料中提供了更多详情。涂有Bio-RC涂层（B）而未涂有Bio-RC涂层（C）的建筑屋顶的红外热图像；建立连续温度试验曲线；蓝色和黑色线条分别显示未涂层屋顶和室内温度，绿色和红色线条分别显示涂层屋顶和室外温度（D）。月平均屋顶温度（E）和室内空气温度（F）的对比实验结果；蓝色柱表示涂漆建筑的温度，黄色柱表示未涂漆建筑的气温。（G） 每个时段（7:00–10:00、10:00–15:00、15:00–19:00、19:00–01:00和01:00–07:00）的空调耗电量图；绿色列显示涂层功耗，蓝色列显示未涂层功耗，红线表示每日节电率。

图6.Bio-RC涂层的通用性。Bio-RC涂层可以（A）涂在石头上，（B）涂在铝上，（C）涂在塑料上，或（D）浸涂在木材上。（E）与白色Bio-RC涂层相比，黄色、红色和蓝色Bio-RC涂料的光谱反射率；插图显示了三种颜色的样本。（F）CIE 1931颜色空间中显示的红色、黄色和蓝色Bio-RC涂层的色度；插图显示了涂层色度值的放大视图。（G）液滴接触角照片（平均值为125.3◦)。

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