吉林大学任露泉院士团队ACS Nano：仿生透明辐射冷却材料，为节能建筑带来创新解决方案

随着全球气温不断攀升，建筑空调系统消耗了全球约10%的电力，加剧了能源危机。开发零能耗的冷却技术因此成为当务之急。被动辐射冷却技术因其近乎零能耗的运行潜力而备受关注。然而，传统的辐射冷却材料（如超白涂层）虽能实现低于环境温度的冷却，但其固有的不透明性阻碍了在窗户、天窗等透明建筑部件中的应用。现有的透明辐射冷却方案，如有机聚合物薄膜或银基多层结构，又往往存在可见光透光率显著下降、附着力差或制备工艺难以规模化等问题。因此，开发兼具高透明度、高效冷却性能及强机械稳定性的辐射冷却材料，是该领域面临的核心挑战。

近日，吉林大学任露泉院士团队韩志武教授、牛士超教授和李博教授合作，受人体皮肤分层结构和热管理机制的启发，研究人员成功开发出一种生物启发被动辐射冷却器。该材料在保持与裸玻璃相当的89.5%高可见光透透率的同时，紫外线屏蔽能力提高了34%，红外发射率提高了3%。在653.35 W/m²的垂直辐照下，其最大降温幅度达7.4°C，模拟节能效率高达11.5%。此外，该材料表现出优异的机械耐久性，与基底的粘接强度达0.5 MPa。这项工作为大规模生产高性能透明辐射冷却材料提供了可行策略，在节能建筑和光伏系统领域应用前景广阔。相关论文以“Bioinspired Passive Radiative Cooler with Superior Transparency and Durability for Energy-Efficient Building”为题，发表在ACS Nano上。

研究的灵感来源于人体皮肤这一高效的热调节器官。皮肤的多层紧密结构实现了从内向外的定向热传递，其皮下黑色素还能在紫外线照射下产生屏蔽保护作用。仿照这些特性，研究团队设计并制备了一种三层结构的透明辐射冷却器件。该器件由顶层的聚酰亚胺膜、中间层的氧化锌纳米球涂层和底层的玻璃基底构成。聚酰亚胺层富含苯环等官能团，提供了增强的红外发射率和紫外线吸收能力；中间的氧化锌层模仿了皮肤的交错分层结构，显著提升了膜与基底的附着力；整个器件还表现出不对称的热传递行为，优先将热量从室内导向室外。

图1：生物启发被动辐射冷却器件的灵感来源。 (a) 人体手部模型。 (b) 人体皮肤的分层结构模型。 (c) 人体皮肤的辐射冷却效率占总散热量的60%。 (d) 皮下组织中的黑色素。 (e, f) 被动辐射冷却器件的三层结构设计。 (g) 被动辐射冷却器件中的功能基团可实现紫外线和红外线屏蔽。 (h) 被动辐射冷却器件在节能建筑窗户和光伏系统中的应用。 (i) 户外测试显示，覆盖被动辐射冷却器件的样品相比玻璃最高可降温7.4°C。

在制备与光学性能方面，研究通过优化氧化锌和聚酰亚胺层的厚度与工艺参数，实现了波长选择性的光学调制。器件在可见光波段（0.4-0.78 μm）透光率与裸玻璃几乎相同，同时在紫外线和中红外波段具有较低的透射率（即屏蔽效果），并在大气窗口波段（如8-13 μm）表现出比裸玻璃更高的发射率，整体发射率达76.8%，确保了其在阳光下的辐射冷却性能。

图2：被动辐射冷却器件的制备、表征与光学性能。 (a) 被动辐射冷却器件的制备过程。 (b) 样品的透射率。 (c) 不同旋涂速度下，氧化锌层对样品透射率的影响。 (d) 不同厚度聚酰亚胺膜的透射率模拟。 (e) 本工作制备的被动辐射冷却样品与商用聚酰亚胺膜的对比。 (f) 被动辐射冷却器件的实物照片和微观结构截面表征。 (g) 4种样品在紫外、可见和近红外波段的透射率。 (h) 4种样品在测试波段（0.2-15 μm）的红外发射率。

研究人员进一步测试了器件的不对称热传递性能。实验和模拟结果表明，当薄膜面朝上时，器件导热和散热能力增强，热量更容易从基底传递至外界；而当薄膜面朝下时，反向热流则受到抑制。这种“泵送-辐射”效应源于其功能梯度设计：氧化锌中间层紧密粘合聚酰亚胺与玻璃，形成了从基底到顶层的优先热传导路径，同时顶层聚酰亚胺的高发射率能高效地将传导来的热量辐射出去。

图3：被动辐射冷却器件的不对称热传递能力及制备参数选择。 (a) 测试装置示意图。 (b) 两种状态下的角度依赖性发射率及红外图像。 (c) 薄膜面朝上时，6种样品与裸玻璃的温度差。 (d) 薄膜面朝下时，6种样品与裸玻璃的温度差。 (e) 两种测试状态之间的温度差。 (f) 薄膜面朝下时的COMSOL热传递模拟。 (g) 薄膜面朝上时的COMSOL热传递模拟。 (h) 两种状态下的热导率。 (i) 两种状态下的热扩散率。 (j) 薄膜面朝下时的模拟温度。 (k) 薄膜面朝上时的模拟温度。

机械耐久性对于实际应用至关重要。经过长达30天的流水冲刷测试，该仿生辐射冷却器件的外观和透光率几乎未受影响，而单一的氧化锌涂层或聚酰亚胺膜则分别出现了涂层减薄或表面起泡等现象。粘接力测试显示，该器件的中心区域粘附力高达50 N，远超单一聚酰亚胺膜（约20 N），且冲刷后性能保持稳定，证明了其优异的机械鲁棒性。

图4：被动辐射冷却器件的机械耐久性。 (a-c) 3种样品在冲洗前后的透射率。 (d) 粘附力测试期间的接触界面示意图。 (e) 被动辐射冷却器件在测试过程中的界面失效示意图。 (f) 聚酰亚胺膜在测试过程中的界面失效示意图。 (g) 被动辐射冷却器件在测试过程中的图像。 (h) 测试后（被动辐射冷却器件）挂钩表面的状况。 (i) 聚酰亚胺器件在测试过程中的图像。 (j) 测试后（聚酰亚胺器件）挂钩表面的状况。 (k-n) 聚酰亚胺器件（k, l）和被动辐射冷却器件（m, n）中心区域在冲洗前后的应力-位移曲线。

户外实际冷却性能测试显示，在日光照射下，覆盖该器件的密封测试箱内部最高温度比覆盖裸玻璃的测试箱低7.4°C，平均降温2.4°C。模拟研究还评估了其在不同气候城市（如巴黎、内罗毕等）建筑模型中的应用潜力，结果显示每月制冷节能最高可达918.6 MJ，在巴黎的相对节能率高达11.5%。此外，该器件透过的光线色显指数Ra和R9均超过95，光线颜色接近白光，适合光学应用。

图5：被动辐射冷却器件的户外冷却性能。 (a) 测试设备的实物图，内部贴有温度传感器并覆盖保温层。 (b) 四种测试设备在整个白天的实时温度曲线；图中的条形图代表当前的太阳辐照度。 (c) 每30分钟记录的环境温度，以及同时刻四种设备的温度。 (d) 与(c)同时刻的照度。 (e) 8个代表性城市的地理位置、纬度和经度。 (f) 基于8个城市天气数据模拟得出的、使用被动辐射冷却器件的建筑模型的月制冷节能量和节能百分比。

在应用演示中，该器件被用于覆盖装有热水的容器和商用太阳能电池板。结果显示，它能加速无日照条件下的热耗散，并能在模拟日照下将太阳能电池板的工作温度降低约1.5°C，从而提高其光电转换效率和输出电压，证明了其在热管理和光伏冷却方面的实用价值。

图6：被动辐射冷却器件的被动冷却能力。 (a) 被动辐射冷却器件示意图，包括增强的散热性能和提升的光电转换效率。 (b) 冷却设备在3分钟和30分钟时的实际状态。 (c) 同时刻冷却设备的红外热图像。 (d) 两种设备的温度。 (e) 封装好的太阳能电池板。 (f) 两种样品在测试开始和结束时的红外热图像。 (g) 覆盖不同样品的太阳能电池板表面温度及输出电压。

综上所述，这项研究成功研制出一种集高透明度、高效被动辐射冷却、强紫外线屏蔽和优异机械耐久性于一体的仿生材料。其最大7.4°C的日间降温能力和高达11.5%的节能效率，为透明建筑围护结构和光伏系统提供了一种零能耗的热管理创新方案，展现出巨大的产业化应用前景，有望为应对全球能源挑战和减缓气候变化做出贡献。