AFM：动态辐射制冷

论文信息：

In Chul Shin,Ujin Lee,Sehyeok Park and Jinwoo Lee,Toward Net‐Zero Energy Cooling: Dynamic Radiative Coolers with Near‐Zero Energy Input, Advanced Functional Materials, e08007 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508007

研究背景

辐射冷却（Radiative Cooling，RC）作为一种被动散热技术，通过物体向外界辐射热量（尤其是通过8-13 μm的“大气窗口”向接近绝对零度的外层空间散热）实现降温，具有零能耗优势。然而，传统辐射冷却系统存在固有缺陷，其被动持续运行模式无法根据环境或需求调节，易导致过度冷却或能量不匹配。为解决这一问题，近零能耗动态辐射冷却（Near-Zero Energy Dynamic Radiative Cooling，NZ-DRC）技术应运而生。该技术通过可逆调节辐射特性（如太阳能反射率、长波红外发射率），在无需持续外部能量输入的前提下实现“冷却-加热”模式切换，既能保留被动冷却的节能核心，又能适应动态需求。本文综述了NZ-DRC的分类、原理、应用及挑战，为下一代自适应冷却技术提供了框架。

研究内容

本文将NZ-DRC系统按切换机制分为五类，每类均通过具体案例和实验数据阐明其原理与性能，并展示了关键结构与特性。首先是流体介导的光学调制（Fluid-Mediated），该机制通过多孔结构中液体的填充/移除改变折射率，调节反射率和发射率；干燥状态下，空气填充的孔隙因折射率差异增强光散射，提升太阳能反射率（冷却模式）；湿润状态下，液体填充孔隙降低散射，增加太阳能透射率（加热模式）。该机制的核心结构有仿生多孔涂层，受金龟子甲虫启发，如图1(A)所示，利用双连续界面凝胶（bijel）结构实现干湿切换；干燥时太阳能反射率>0.97、长波红外发射率>0.93，降温5.6 °C。有基于SiO2的自适应性热管理装置（STMD），在高湿度时（孔隙充水）可见光透射率达0.8（加热），低湿度时（孔隙空气）透射率骤降（冷却），夏季降温5 °C、冬季升温10 °C，如图1(B)所示。有温敏水凝胶，含Al2O3纳米颗粒的PNIPAm水凝胶在临界温度下收缩/膨胀，高温（50 °C）时反射率0.962，冷却功率达100 W/m2；低温（15 °C）时吸收率0.941，加热功率达550 W/m2，如图1(C)所示。

图1. 流体介导的可切换辐射冷却器；(A) 双连续界面凝胶（bijel）被动日间辐射冷却（PDRC）涂层的示意图（左）和双连续界面凝胶涂层的透射光谱（右）；(B) 双层涂层的扫描电子显微镜（SEM）图像（左）和自适应性热管理装置（STMD）在透明模式和不透明模式下的照片（右）；(C) 双层膜的示意图，其由位于太阳能吸收涂层上方的可切换水凝胶组成（左）以及通过添加TT实现三氧化二铝（Al2O3）化学键合的水凝胶视图（右）。

其次是热驱动的动态调节（Thermal Methods），利用材料的温度响应特性（如相变、热致变色）实现被动切换，无需外部能量输入。该机制的代表技术有金属-绝缘体相变材料（MITPCMs），以VO2为代表，在相变温度（约68 °C，可通过掺杂调控至室温）下从绝缘态转为金属态，改变光学特性；金等人设计的VO2基辐射冷却器，如图2所示，低温（<68 °C）时为绝缘态，抑制热辐射；高温（>68 °C）时为金属态，增强8-13 μm波段发射率，实现动态散热。有固-液相变材料（SLPCMs），以正十八烷（熔点 25.3°C）为例，通过固液相变时的折射率变化调控光散射；将正十八烷嵌入PDMS基质，高温（液态）时折射率差异大，增强光散射（冷却）；低温（固态）时折射率接近，透射率提升（加热）；30% PCM含量时，太阳能“开-关”透射率差异达0.945，如图3所示。还有热致变色染料，通过分子结构变化实现颜色与反射率切换；羧基纤维素纳米纤维涂层，如图4所示，低温时呈蓝色（吸收太阳能，加热），高温时变白（反射率>0.85，冷却），织物应用中夏季降温8.7 °C、冬季升温2.5 °C。

图2. 金属-绝缘体相变材料（MITPCM）可切换辐射冷却器；掺杂二氧化钒（VO2）实现的可切换日间辐射冷却示意图（左），二氧化钒处于金属态（中）和绝缘态（右）时发射器部分的吸收率和反射率。

图3. 固-液相变材料（SLPCM）可切换辐射冷却器；通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察到的含30%正十八烷（OCT30%）的热响应透明辐射冷却薄膜（TRTSF）的关闭状态及相变材料（PCM）分布（左）和热响应透明辐射冷却薄膜的光路（右）。

图4. 热致变色辐射冷却器；自适应热管理CCTM涂层工作原理示意图（左）；羧基化纤维素纳米纤维/无定形碳酸钙（ACC）/热致变色微粒子（TMP）涂层在蓝态与白态之间在紫外-可见-近红外范围内的反射率变化（右）。

再次是机械驱动的动态调节（Mechanical Methods），通过翻转、拉伸、压缩等机械动作改变材料结构，实现辐射特性切换，能耗极低或为零。该机制的核心设计为Janus薄膜，双面具有互补特性，翻转即可切换模式；低温时卷曲暴露低发射率基底（加热，吸收率≈0.73），高温时展开暴露高发射率表面（冷却，发射率≈0.95），实现252 W/m2加热和60 W/m2冷却，如图5(A)所示。通过拉伸刺激，还有PDMS基纳米光子结构，如图5(B)所示，拉伸120%时，长波红外发射率从 0.79降至0.15，实现加热模式；通过压缩刺激，如图5(C)所示，还有PDMS微纳米纤维膜，未压缩时太阳能反射率≈0.90（冷却），压缩后降至≈0.10（加热），全天持续降温5.9 °C。

图5. 机械可切换辐射冷却器；(A) 仿生Janus型辐射冷却（RC）的机制（左）以及该装置在加热和冷却模式下的光学特性（右）；(B) 结构和切换机制示意图（左）、取决于应变的整体太阳反射率和长波红外发射率（中）以及原始状态和120%应变下的光谱发射率（右）；(C) 聚二甲基硅氧烷（PDMS）微纳米纤维在释放状态（O模式）的示意图（左）、机械压力下（T模式）的示意图（中）以及O模式和T模式的太阳反射率（右）。

然后是电驱动的动态调节（Electrical Methods），通过电致变色或自供能系统实现切换，需瞬时或零持续能耗。该机制的主要研究有双稳态液晶，如图6(A)所示，聚合物稳定胆甾相液晶器件，通过高频/低频电脉冲切换透明 / 不透明态，无需持续供电，可见光透射率差异达0.8。有自供能系统，如图6(B)所示，将摩擦纳米发电机（TENG）与电致变色窗口结合，收集机械能驱动切换，可见光-近红外透射率调制达0.518，室内降温12.3 °C。

图6. 基于电致变色的近零能耗动态辐射冷却（NZ-DRC）技术；(A)聚合物稳定胆甾相液晶（PSCLC）的示意图（左）、电压-透射率（V-T）曲线（中）和光学稳定性测试（右）；(B)电致变色智能窗（TECSW）的示意图（左）、摩擦纳米发电机（TENG）的结构（中）以及不同电压下电致变色智能窗的透射光谱和保持时间（右）。

最后是波长选择性发射调控（Wavelength-Selective），利用超表面设计，通过干涉效应在特定波长（匹配黑体辐射峰）增强/抑制发射。该机制的超表面设计利用利用PDMS衍射光栅，白天9.2 μm处高发射（匹配40 ℃黑体辐射），夜间10.2 μm处抑制发射（匹配10 ℃黑体辐射），实现制冷负载-1.1 kW/m2与夜间热补偿，如图7所示。

图7. 波长选择性辐射冷却器；(A)具有自切换辐射冷却驱动吸水层的被动恒温薄膜示意图；(B) 40 °C（黑色）和10 °C（红色）下黑体的归一化热辐射，以及辐射冷却系统在红外范围内的吸收率/发射率光谱（蓝色）；

结论与展望

综上所述，NZ-DRC技术通过动态调控辐射特性，突破了传统辐射冷却的“持续运行”局限，为零能耗制冷提供了新路径。其核心优势在于，无需持续外部能量、适应环境动态需求、跨领域应用潜力广泛。未来研究应聚焦于，开发无能耗切换机制、降低材料成本、提升长期稳定性，并拓展在极端环境（如极地、太空）中的应用。随着技术成熟，NZ-DRC有望成为应对全球变暖的关键技术，推动“净零能耗冷却”目标的实现。