四川大学郭少云、李春海、赵海波AM：全聚合物光子晶体薄膜实现高效辐射冷却，突破可扩展制造与机械性能瓶颈

随着全球能源需求不断增长，被动式白天辐射制冷技术因其零能耗冷却潜力，在建筑节能、电子热管理等领域备受关注。然而，现有材料往往面临可扩展性、耐久性与性能之间的固有矛盾：精密光子结构难以大规模生产，天然生物材料耐久性不足，无机玻璃或陶瓷则缺乏柔性与加工性。全聚合物光子晶体虽具潜力，但受限于聚合物间折射率对比度低、亚100纳米层制备困难、界面易剥离及机械强度不足等挑战，其发展长期受阻。

近期，四川大学郭少云教授、李春海副研究员、赵海波教授和郑州大学王建峰副教授合作，通过自组装梯度纳米层共挤出聚甲基丙烯酸甲酯和聚萘二甲酸乙二醇酯，并结合双轴拉伸工艺，成功制备出可扩展的高性能全聚合物光子晶体薄膜。该薄膜拥有约1500层的梯度纳米层结构，实现了95.4%的太阳光反射率和93.4%的中红外发射率，在980 W/m²的太阳辐照下可实现低于环境温度11℃的冷却效果。同时，其拉伸强度达约103.8 MPa，韧性约54.9 MJ/m³，杨氏模量约2.9 GPa，机械性能显著超越现有聚合物基辐射冷却材料。该无溶剂连续生产工艺为耐用、高性能的聚合物冷却薄膜提供了可行的工业化路径。相关论文以“Scalable All-Polymer Photonic Crystals for Daytime Radiative Cooling”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先通过理论模拟阐明了设计原理。由于聚合物折射率对比度有限，为实现宽光谱反射，需采用多堆叠梯度结构。模拟显示，通过设计16个线性梯度堆叠，每个堆叠包含16个聚合物层对，可在可见光范围内实现近乎全反射。为覆盖整个太阳光谱，研究人员进一步通过热层压将三个不同厚度的512层薄膜堆叠复合，形成总层数约1500、梯度厚度约50至400纳米的整体结构，从而在理论上实现了全光谱高反射。

图1：APPC薄膜的设计原理与模拟光学性能。 （A）目标中心波长为600 nm的单层PEN/PMMA多层堆叠的理论反射带。（B）实现近乎全反射所需的最小周期数以及归一化光子带隙宽度与折射率比的依赖关系。（C）常见光学透明热塑性塑料与无机介电材料的折射率。（D）16堆叠梯度结构示意图，梯度比为2.16，每堆叠含16个层对。（E）覆盖可见光谱的优化堆叠配置。（F）优化多堆叠结构的可见光谱理论反射率。（G）实现全太阳光谱覆盖的复合结构策略：通过热层压三种不同总厚度的离散薄膜堆叠。（H）单个及复合结构的理论太阳光谱反射率（左：带隙偏移机制；右：反射性能）。

薄膜的制备融合了梯度纳米层共挤出、双轴拉伸与卷对卷热层压三步连续工艺。专用共挤出系统通过梯度层倍增元件生成具有精确厚度梯度的多层结构，随后通过双轴拉伸使层厚均匀减薄并提升折射率对比度，最后将不同厚度的薄膜堆叠热压复合。所得薄膜呈现银白色金属光泽，可见光反射率超过98%，并能如镜面般清晰反射图像，直观展现了其优异的光学性能。

图2：APPC薄膜的可扩展制造。 （A）集成梯度纳米层共挤出、双轴拉伸和卷对卷热层压的工业化制造流程。（B）用于生产APPC薄膜中多层堆叠的定制梯度纳米层共挤出系统。（C）自立式柔性APPC薄膜（0.5×0.5米），因高可见光反射率呈现金属光泽。（D）薄膜对智能手机显示的向日葵图像的镜面反射，验证了其宽光谱镜面反射能力。

微观结构分析证实，薄膜内纳米层排列整齐，梯度分布与设计高度吻合。光学测试表明，复合结构实现了95.4%的太阳光谱反射率和93.4%的大气窗口红外发射率。理论计算显示，在无对流条件下，其净冷却功率可达111.3 W/m²，平衡温降超过20℃。户外实测中，薄膜在980 W/m²太阳辐照下实现了低于环境温度11℃的冷却效果，在汽车表面应用时可比未覆盖区域降低20℃。建筑能耗模拟进一步预测，在全球多个城市使用该薄膜作为建筑外层，平均可节约68.7%的制冷能耗。

图3：APPC薄膜的形貌与光学特性。 （A1）使用非晶Co-PEN作为热粘合层将三个离散堆叠层压成整体APPC薄膜的示意图。（A2）仅显示复合APPC中堆叠1的纳米层结构。（A3-A6）显示梯度结构的高分辨率截面图像。（B）堆叠1中层厚分布的定量分析，证实其与设计梯度比2.16相符。（C）全光谱反射率测量显示，集成三个堆叠拓宽了反射带宽，覆盖整个太阳光谱，达到95.4%的太阳反射率。（D）结合全光谱数据的稳态热模型，量化不同非辐射传热系数下的净冷却功率和最大温降。（E）昼夜条件下计算的冷却性能。

图4：低于环境温度的辐射冷却性能与应用。 （A）用于低于环境温度冷却测量的现场测试装置示意图。（B）APPC覆盖腔体与环境的实时户外温度曲线。（C）无覆盖与APPC覆盖腔体的温度演变。（D）相应的热红外成像图。（E-G）汽车尺度演示：无覆盖与APPC覆盖车辆的照片、热图像及温度跟踪对比。（H-I）基于全球22个城市的模拟，显示APPC作为最外层建筑覆膜所能实现的全年制冷节能潜力与能耗对比。

在机械性能与耐久性方面，该薄膜表现出色。双轴拉伸诱导的结晶与纳米层结构协同作用，使其韧性、强度与模量大幅提升，一条仅3克的薄膜条可承受58公斤的重量。经过相当于一年佛罗里达日晒的加速紫外老化、高温、水冲及户外暴露测试后，薄膜仍能保持近乎完全的太阳反射率和大部分机械性能，显示出卓越的环境稳定性。

图5：APPC的机械强度与环境耐久性。 （A）未拉伸PEN、PMMA与APPC的拉伸应力-应变曲线。（B）PEN、PMMA与APPC的断裂形貌照片与SEM图像。（C）APPC与已报道PDRC材料在韧性与拉伸强度方面的性能对比。（D）承重演示：一条3克的APPC条带抬起一位58公斤的人。（E）环境测试后太阳反射率与机械性能的保持率。（F）极端紫外辐照1300小时前后的反射光谱对比。

综上所述，该研究通过连续梯度纳米层共挤出-双轴拉伸-热层压工艺，成功克服了全聚合物光子晶体在折射率对比度、纳米层制备及光-机性能权衡方面的根本性障碍，制备出兼具高效冷却、超强机械与良好耐久性的薄膜。这项无溶剂平台将纳米光子设计与工业规模制造相衔接，为辐射冷却技术在实际能源应用中的推广提供了切实可行的材料解决方案。