南京大学《自然·通讯》：新型辐射冷却薄膜实现多光谱伪装，为户外装备披上“智能外衣”

在户外活动中，物体（如人员、装备等）常需同时兼顾温度调控与隐蔽防护。辐射冷却技术有助于应对全球变暖与高温挑战，而伪装技术则可提供类似动物躲避天敌般的保护。然而，这两种需求在中红外波段存在光学特性上的矛盾：优异的辐射冷却要求材料在大气窗口波段高效发射热量，而这恰恰会在热成像仪中产生明显的信号，不利于红外隐身。随着热成像仪、激光探测器等多谱段探测技术的发展，开发一种能兼容多波段伪装、同时保持散热能力的材料变得尤为迫切。

近日，南京大学朱斌教授、朱嘉教授、陆延青教授和中国科学院长春光机所李炜研究员合作，通过分子与微观尺度的分层设计，结合可扩展的卷对卷静电纺丝技术，制备出一种铝-聚酰胺66金属基聚合物双层薄膜。该薄膜能在红外波段实现伪装，在激光波段吸收信号，同时在大气非窗口波段保持高效的辐射冷却性能，并且在-60°至60°的观测角度内表现出弱角度依赖性，为多光谱兼容的智能热管理提供了低成本、可扩展的解决方案。相关论文以“Hierarchical design and scalable production of radiative cooling film featuring multispectral camouflage”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先从概念设计入手，描绘了从可见光到中红外的理想伪装光谱：在可见光波段呈现与环境一致的颜色；在中红外大气窗口波段具有低发射率以规避热探测；在特定激光波长处高吸收以干扰探测；同时，在大气非窗口波段维持高发射率以实现辐射散热。为了实现这一复杂光谱，研究者并未采用传统的、制备苛刻且角度敏感性高的一维光子晶体或超表面，而是转向了具有随机堆叠结构的纤维膜设计。这种结构本身无特定光学取向，有望实现弱角度依赖的均匀光学表现。关键在于材料的分子级筛选。通过对18种常见有机官能团的红外吸收特征进行分析，团队发现聚酰胺（尼龙）的分子结构——包含烷基、酰氨基和羰基——其振动吸收峰恰好位于理想的光谱区域。其中，聚酰胺66因其在10.6微米激光波长附近存在结晶吸收峰，被选为最理想的聚合物材料。

图1. 多光谱伪装的概念与设计。 (a) 从可见光到中红外波段的多光谱伪装理想光谱。它包括可见光伪装（在0.38-0.78微米呈现颜色）、中红外伪装（在3-5微米和8-14微米具有低发射率）、激光伪装（在10.6微米具有高吸收率）和散热通道（HDC，在5-8微米和14-20微米具有高发射率以实现辐射冷却）。蓝色阴影区域为大气透射谱。(b) 纤维膜微观结构示意图。基底上的随机堆叠结构带来了中长波红外的低发射率及弱角度依赖性。(c) 具有基本长链和各种官能团的聚合物示意图。(d) 化学键振动产生红外发射的示意图。橙色和蓝色球体代表碳原子；灰色球体代表氢原子。(e) 常见有机化合物中可能吸收峰的中红外分布，用于材料筛选。红色、蓝色、紫色和灰色阴影区域分别代表强、中、弱和不确定的吸收强度。虚线指示了3微米、5微米、8微米、14微米和20微米的边界，分别对应3333 cm⁻¹, 2000 cm⁻¹, 1250 cm⁻¹, 714 cm⁻¹, 和 500 cm⁻¹。“是”和“否”表示该区域根据理想光谱需要或不需要存在吸收峰。筛选后，理想的聚合物只能由烷基、酰氨基和羰基组成，它们在图中被黄色边框圈出。最终，聚酰胺被确定为最合适的材料。

薄膜的制备与表征显示了其卓越的性能。通过静电纺丝工艺，可在覆盖铝箔的滚筒上大规模制备出柔性、米级的白色薄膜。扫描电镜显示其纤维直径约100纳米，确保在中红外波段主要由分子振动而非散射决定其光谱。对不同厚度的薄膜进行测试，光谱曲线清晰地显示出在大气窗口波段的低发射率与在非窗口波段的高发射率。更重要的是，模拟与实验均证实，该薄膜在中红外波段的反射率在-60°至60°的大角度范围内变化很小，满足了实际应用中从不同角度观测的伪装需求。此外，通过喷涂颜料，薄膜可被赋予绿色、棕色、蓝色等多种颜色，且这些颜色处理并未破坏其中红外光谱的选择性，实现了可见光与红外伪装的可定制化结合。

图2. X薄膜的制备与表征。 (a) 柔性米级X薄膜的光学照片。它在可见光波段呈白色，并在大气窗口波段选择性具有低发射率。(b) PA66纤维直径的统计分布。插图显示了PA66膜的扫描电子显微镜图像。(c) PA66纳米纤维（直径从0.1到10微米）在中红外波段散射效率的模拟。(d) 一系列具有不同PA66膜厚度的X薄膜的中红外光谱。X后的数字表示PA66膜的厚度，单位为微米。铝基底的厚度为25微米。(e) 模拟模型在中波和长波红外的归一化反射率随角度（-60°至60°）变化的曲线。角度大小表示与样品表面法线的夹角。(f) X30样品在长波红外的反射光谱随角度的变化。观察到X薄膜具有弱角度依赖性，这在实际应用中非常理想。(g) 彩色X薄膜的光学照片。它们可通过单一或两种颜料混合呈现各种颜色。(h) 具有三原色的X薄膜的中红外光谱。添加颜料后，选择性光学性能保持良好。(i) 具有三原色的X薄膜的CIE色度图。

随后的性能评估实验全面验证了薄膜的多功能特性。室内测试中，覆盖该薄膜的加热片相比裸露的加热片，在长波和中波红外热像图中显现出更弱的热信号，伪装效果随聚酰胺66层变薄而增强。然而，纯铝箔虽伪装效果最佳，却因全波段低发射率导致热量积聚，温度显著升高。相比之下，新型薄膜在实现伪装的同时，凭借非窗口波段的高发射率，能将温度比纯铝箔覆盖情况降低5-10°C，展现了优异的辐射冷却能力。加热功率测试进一步证实，维持相同温度时，覆盖薄膜的样品所需加热功率介于高发射率的裸露样品与低发射率的纯铝箔之间，平衡了隐身与散热。户外昼夜测试以及模拟激光探测实验均表明，薄膜在不同环境条件下均能保持稳定的伪装与冷却效果，并且其激光隐身能力得益于聚酰胺66的吸收与铝箔基底的几何散射共同作用。为进一步提升实用性，研究团队还用聚乙烯薄膜对产品进行封装，增强其耐高低温、酸碱性、水冲、紫外及机械磨损的环境耐久性，测试后质量与光学性能变化极小。

图3. X薄膜的多光谱伪装与辐射冷却性能。 (a) 不同对照组的光学照片。对照组包括无覆盖（裸露）、铝箔（X0）和X薄膜（X30, X45, X62, X72）。加热器和样品的尺寸为10厘米×10厘米。比例尺：5厘米。(b, c) 分别为长波红外和中波红外照片。X薄膜的伪装性能随PA66膜变薄而增强。(d) 裸露对照组与覆盖X0和X薄膜的样品之间的温差。(e) 将加热片温度维持在55°C时，不同对照组记录到的加热功率对比。X薄膜比铝箔具有更好的辐射冷却性能。(f) 在不同观测角度（10°至60°）下拍摄的红外照片。验证了X薄膜具有弱角度依赖性。(g) 用于验证10.6微米激光伪装性能的室内模拟实验示意图。波长为10.6微米的光由量子级联激光器发出，返回信号由光功率计接收。(h) 不同厚度PA66膜的X薄膜在光滑铝板和褶皱铝箔上于10.6微米处的反射率。数据显示为平均值±标准差（n=3）。这表明X薄膜的激光隐身潜力不仅源于PA66在10.6微米的吸收，还归功于褶皱柔性铝箔基底引起的几何散射效应。(i) XNP薄膜的中红外光谱。在X薄膜上封装聚乙烯薄膜后，光谱曲线形状保持相似。(j) 经历耐久性测试的XNP薄膜的质量变化。(k) 经历耐久性测试的XNP薄膜在8-14微米波段的反射率变化。它们在质量和长波红外反射率上均几乎无变化，表明其环境耐久性令人满意。

为展示其在实际场景中的应用潜力，研究团队将薄膜与织物复合制成“智能面料”并覆盖在模拟人体上。与覆铝织物相比，新型面料不仅展现出同等的红外隐身效果，在可见光下也更不显眼，同时人体关键部位的温度更低，舒适性更佳。激光照射实验显示，新型面料反射回的信号更弱，激光隐身能力更强。此外，通过针对身体不同区域设计不同颜色和发射率的薄膜，并结合沙地、灌木丛等背景进行演示，证明了该技术能灵活适配多变环境，实现全方位的多光谱融合隐身。例如，一款设计为沙土棕色的薄膜，能为工作中的手机等电子设备提供良好的红外伪装。

图4. 针对不同环境的优化设计伪装。 (a, b) 穿着在模拟人身上的X织物和铝织物的红外及光学照片。X织物能表现出与铝织物相似的红外伪装效果，但可见光伪装效果更好。比例尺：20厘米。(c) 穿着X织物和铝织物时胸部与腹部的温度。(d) 不同激光功率下X织物和铝织物的红外照片。不同温度的亮斑是由量子级联激光器发出的10.6微米激光照射到织物上产生的反射信号（添加了不同衰减器）。温度越高意味着激光隐身潜力越差。插图显示了这些亮斑的放大图像。0.1 P、0.03 P和0.018 P分别表示激光功率衰减至原始功率的0.1、0.03和0.018倍。比例尺：20厘米。(e) 穿着在模拟人身上的X织物和铝织物在观测角度分别为-60°、-30°、30°和60°时拍摄的红外照片。验证了X织物在不同探测角度下表现出与铝织物相似的红外伪装性能，并因其弱角度依赖性而保持颜色一致。比例尺：20厘米。(f) 一名志愿者穿着由白色棉织物、绿色棉织物以及区域化优化设计的绿色X织物制成的背心，站在灌木丛前的红外和光学照片。X织物能针对灌木丛背景同时实现可见光和红外伪装。比例尺：20厘米。

这项研究成功开发出一种兼具多光谱伪装与辐射冷却功能的双层薄膜。它通过巧妙的跨尺度分层设计与可扩展生产工艺，解决了隐身与散热在光学波段上的固有矛盾，并具备弱角度依赖性和良好的环境耐久性。这项工作不仅为户外个人热管理、装备隐身等领域提供了一种可规模化、低成本的解决方案，其基于官能团筛选的聚合物光谱设计方法，也为未来聚合物基光子材料与器件的开发开辟了新的道路。