北京科技大学王存海/刘敬崇副教授Matter：仿生(金龟子鞘翅)彩色辐射冷却器

近些年，由于全球变暖的程度加剧，制冷需求不断增加，如何在不消耗能源和减少碳排放的前提下，同时兼具制冷与美观性能的设计成为了一项亟待解决的问题。基于此，北京科技大学王存海和刘敬崇副教授在期刊Matter上以题为Mimicking scarab beetle elytra in colorful radiative coolers介绍了一种基于金龟子鞘翅仿生的彩色辐射制冷器。

2.1 彩色辐射制冷的研究意义

空间制冷消耗了建筑物总能源负荷的约 40%，而被动辐射制冷可以通过波长范围为 8.0-13.0 μm 的超透明大气窗口将多余的热能散发到超冷外层空间，从而冷却陆地物体。由于它不消耗燃料并避免碳排放，因此成为解决全球能源和环境问题的一种有希望的解决方案。然而目前最先进的日间辐射制冷器一般都是超白的，美观性能有限，极大地阻碍了它们的实际应用，更严重的是，还会造成眩光危险。相比之下，具有所需颜色的辐射制冷器可以满足人们的视觉需求，使辐射制冷技术能够广泛应用于建筑围护结构和服装等。因此，设计彩色辐射制冷器近年来引起了广泛关注。

2.2仿生彩色辐射制冷器结构

在最近发表在 Matter 上的一项突破性成果中，Hou 等人从金龟子鞘翅内部的分层多孔结构（图 1A）中汲取灵感，提出了一种高性能（正午太阳照射下温度下降约 7.2°C）辐射冷却器，具有明亮、坚固和可定制的彩色外观。所提出的冷却器由基底和功能性表面填料组成。基底是分层多孔聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)，表面有有序的微坑，功能性填料是密排的聚苯乙烯胶体光子晶体 (CPC) 半球。它们嵌入表面微坑中，如图 1B 所示。

Ø 受金龟子彩色鞘翅启发提出了一种分层多孔嵌套辐射冷却器（图 1B），其表观颜色可调，可以通过改变聚苯乙烯纳米粒子的直径来定制颜色

Ø 得益于 CPC 所含聚苯乙烯纳米颗粒和 PMMA 基底的固有振动，所提出的结构在 8.0-13.0 μm 大气窗口内表现出 92.3% 的平均发射率

Ø 分级孔隙、表面微坑和CPC半球协同作用，使冷却器具有93.4%的高太阳反射率，使冷却器能够全天候保持低温冷却性能

Ø 顶部CPC层的结构颜色赋予冷却器鲜艳的色彩和丝滑的光泽

图1：受金龟子鞘翅启发的彩色日间辐射冷却器设计

2.3 仿生彩色辐射制冷器性能测试

①具有优异的冷却性能。仿生彩色辐射冷却器是不透明的，其反射率与发射率互补。不同颜色的仿生冷却器均表现出较高的太阳反射率和红外发射率，使得所提出的辐射冷却器具有良好的亚环境冷却性能（图 1E）。

②具有良好的机械性能。研究设计的辐射冷却器即使长时间暴露在紫外线、高温和高湿下，也能保持出色的光学特性。并且决定表观颜色的表面 CPC 在机械摩擦试验中被证明具有超强的稳定性，这得益于分层 PMMA 基底表面的微坑。

③具有一定的降噪性能。得益于表面阻抗失配和内部多孔结构的协同效应，所提出的冷却器表现出降噪（38.12%）的能力。

2.4 仿生彩色辐射制冷器在实际应用中的表现

在实际应用中，将提出的辐射冷却器安装到白色汽车的引擎盖上，并以裸露引擎盖和覆盖有商用彩色薄膜的引擎盖作为对照组（图 1F）。结果表明，当暴露在正午阳光下时，仿生辐射冷却器覆盖区域的温度比商用薄膜覆盖区域低约 21.2°C，比裸露的引擎盖低约5.9°C，验证了提出的辐射冷却器的实际冷却效果。

2.5 可扩展性与未来发展方向

首先，将刺激响应材料（包括热致变色、电致变色和光致变色材料）集成到有色辐射冷却器中为设计此类动态结构提供了解决方案。其次，将AI与结构设计相结合可以解决传统经验试错方法产生的过度耗时/耗力和不理想的光谱匹配等挑战性问题，为设计超越以前配置的辐射冷却器提供了一种方法。此外， Hou等人工作中的仿生思想为热管理的多功能材料铺平了一条有希望的道路。模仿自然生物将促进设计具有所需特征的结构的新解决方案，例如颜色，灵活性，耐候性等。

小结：设计具有丰富多彩外观的辐射冷却器可以扩大实施辐射冷却技术的场景，该技术是解决全球能源和环境问题的方案。研究者模仿了金龟子内部的分层多孔结构，设计了一种具有可调视色的高性能辐射冷却器，为辐射冷却器的协同冷却和色彩管理铺平了一条仿生道路。

文献信息：C. Wang*, W. Wangi, H. Chen, J. Liu*, Mimicking scarab beetle elytra in colorful radiative coolers. Matter, 9: 101951, 2025.

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