文献前沿丨Adv. Mater.：受云启发的的白/灰色等离子体超表面用于伪装热管理

随着对高效热管理技术和先进伪装/隐身能力需求的日益增长，开发能够在可见光和红外波段同时调控光热行为的多功能材料至关重要。传统被动辐射冷却材料依赖高太阳反射率和高中红外发射率来实现降温，但其高发射率特性在热红外波段极易暴露目标，难以满足军事和特定环境下的热伪装需求。同时，实现高效可控的加热通常需要深色或黑色宽带吸收材料，这与视觉伪装要求也存在矛盾，使用等离子体材料实现灰色和特别白色的外观仍然是一个主要挑战。因此，亟需发展能够动态调节热行为（冷却/加热）并兼具视觉与红外伪装能力的新型材料体系。受自然界云层-气溶胶相互作用调控地球能量平衡的启发：白色云层通过背向散射阳光实现冷却，而吸收性气溶胶覆盖则形成“灰云”促进吸热升温。本研究提出并设计了一种无序等离子体超表面。该材料创新性地实现了白色等离子体状态（模拟云层冷却效应）向灰色状态（模拟含吸收性气溶胶的灰云加热效应）的可控转变，在标准太阳光照下分别实现了基底相对降温10°C和相对升温10°C的显著热管理性能，同时具有低红外发射率特性，为下一代自适应伪装、隐身技术和高效热管理提供了全新思路。相关工作以Cloud Inspired White and Grey Plasmonic Metasurfaces for Camouflaged Thermal Management为题发表在Advanced Materials期刊。

本文从自然界云-气溶胶相互作用的辐射调控机制出发，设计了如图1所示的类云等离激元超表面结构，构建了具备白色与灰色双态外观的光学迷彩材料。通过图2的仿真与固态脱湿法-真空溅射，成功制备了图3所示不同初始厚度（15、30、50 nm）的银纳米结构表面（NSS）。实验表征表明：15-50 nm初始银层形成的NSS高度为71-360 nm（图3C-E），其可见-近红外波段背向散射率高达90%（图3G）。进一步，图4揭示了银半椭球在镜面上随尺寸变化的散射电场演化规律。通过如图5所示在50 nm NSS上沉积70 nm Cu/Al₂O₃纳米复合层（PNC），实现了从白到灰的光学转换，吸收率提升至97%，散射近乎完全抑制。图6表明白色超表面通过背向散射使基底相对降温10°C，而灰色超表面通过光热转换使温度升至74°C，较传统黑色吸收体提升10°C。该材料兼具低红外发射率（0.08-0.11，图6A）和广角吸收特性（45°入射吸收率0.95，图6E-F），为热隐身与自适应热管理提供了新方案。

图1：受大气启发的白色和灰色超表面设计原理及其具有伪装效果的云模拟热效应。左图展示了白色超表面，它通过背向散射模拟白云，从而产生冷却效应。相反，右图展示了灰色超表面，它模拟灰云，并通过模拟云-气溶胶相互作用实现热量捕获，从而产生加热效应。两种超表面都被视觉叠加到自然场景中：带有白云的白雪皑皑场景对应白色超表面，灰云密布的昏暗天空场景对应灰色超表面，从而展示了它们在不同大气环境中的有效伪装能力。

图2：A)不同尺寸和波长下银半球椭球体的远场散射特性，以二维极坐标图和三维散射分布图表示。B)在1000 nm激发波长下，位于硅基底上的银散射体与位于银镜上的银散射体的散射电场强度光学模拟。C)纳米结构表面（NSS）的制备工艺流程：首先沉积一层薄银层（15、30和50 nm），随后在真空中650°C下进行固态去湿步骤；最后，在同一设备内且仍处于同一真空步骤中，在纳米结构顶部溅射沉积一层光学厚银层。

图3：等离激元超表面的构建：A, B) 50 nm NSS的截面SEM图（比例尺为200 nm）；C) 15 nm NSS，D) 30 nm NSS，E) 50 nm NSS的AFM三维图像及其对应的光学图像，最大高度分别为71、206和360 nm；F)与银镜对比，NSS在45°入射角下的反射光谱；G) NSS的散射光谱；H)不同NSS结构中粒子的尺寸分布。

图4：银半椭球在银镜上的散射电场大小与半椭球尺寸和激发波长的有限元模拟。

图5：A) 48%填充因子（FF）的Cu/Al₂O₃等离激元纳米复合材料（PNC）的高分辨透射电镜（HRTEM）图像（比例尺为10 nm）；B)灰色超表面的截面SEM图像，其中70 nm厚PNC位于硅基底上的50 nm NSS上（比例尺为100 nm）；C)比较50 nm NSS在沉积70 nm PNC层前后的散射光谱，以及该PNC层位于银镜面上的情况；D)将70 nm PNC层分别沉积在50 nm NSS和银镜面上时的吸收光谱；插图显示了PNC层在银镜面（左）和NSS（右）上的光学图像。

图6：A)所制备结构的红外反射光谱，与100°C黑体热辐射对比；B)测量样品温度的示意图；C)在1太阳照射下，样品的温度随时间的变化曲线；D)多个样品在稳态下的温度；E)在多个入射角下，PNC层位于银镜面（蓝色）和50 nm NSS（灰色）上时的反射光谱；F)直方图显示不同入射角下两种吸收体的积分反射率值。

小结：综上所述，为解决兼顾伪装与热管理需求的难题，本文受云和气溶胶相互作用启发，设计出一种灰/白双态等离子体超表面的等离激元超表面结构。该结构通过真空脱湿和溅射工艺制备出纳米结构银散射层（NSS），并进一步叠加Cu/Al₂O₃纳米复合吸收层（PNC），实现从背向散射主导的白色态降温（相较于裸硅基底降低约10°C）到宽谱吸收主导的灰色态加热（相较于传统黑色吸收层提升约10°C）功能切换。。结构具有低红外发射率，在保持热隐身的同时兼具动态调温能力。该材料展现出优异的光热转换效率、方向无关的广角光谱响应和长期稳定性，突破了高反射冷却与高吸收加热难以共存的矛盾，开辟了热伪装与智能热调控材料的新方向，为多场景下的光热管理应用提供了可持续的解决方案。

论文信息：M. A. Assad, M. Abdelaziz, T. Hartig, T. Strunskus, A. Vahl, F. Faupel and M. Elbahri. Cloud Inspired White and Grey Plasmonic Metasurfaces for Camouflaged Thermal Management. Adv. Mater. 2025. e2501080.

https://doi.org/10.1002/adma.202501080.

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