如今，全球氣候變暖使得人們在獲取舒適溫度時耗費了高額成本，其根本在于，太陽光中近紅外光譜的照射，成為建筑物溫度升高的主要原因之一，以至于需要安裝強大的空調系統等建筑設施以降低室溫。由此，改善建筑物對近紅外光反射率，又能避免使用昂貴的建筑材料，做到降低室內溫度，無疑成為解決此類環境問題的最佳途徑。節能膜就具有成本低，穩定性高，耐用性好等優點。不同折射率的材料也可被用于膜中以獲得更好的節能效果，但是在節能膜中添加較高高折射率差值的材料，會使得它們不適合于大規模應用和工業化。
近期，來自北京化工大學楊衛民教授課題組提出了一種使用遺傳算法設計的具有聚合物多層異質結構的近紅外光寬帶反射器。采用由多組具有折射率差值較小的膜單元組成的多層異質結構，通過對每個單元的布拉格波長進行優化，設計出的聚合物多層異質結構能實現近紅外光區域的高反射率和可見光區域的高透射率。除此之外，研究人員還分析了利用微納多層擠出技術制備這種聚合物多層異質結構的可行性。相關成果以題目“Design of polymer multilayer heterostructure broadband reflector for the near-infrared using genetic algorithm”發表在Journal of Nanophotonics, 2017, 11(3): 1上。第一作者為機電工程學院2017屆博士畢業生程祥。
圖 1由k層PMMA / PET堆疊層組成的多層異質結構示意圖
（每組包含S個PMMA / PET雙層）
【工作機理】
這種聚合物多層異質結構，由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）單元多層梯度堆疊形成的寬帶反射器。對于每個PMMA / PET單元，可以實現在其布拉格波長附近實現高反射。以每個PMMA / PET單元的布拉格波長作為變量，應用遺傳算法尋找寬帶近紅外反射的最優多層異質結構。考慮到薄膜加工的精度，可實現短波長近紅外光區域（780-1100nm）高達99.63%的總能量反射率和可見光區域（380-780nm）中89.54%的總能量透射率。
圖 2 （a）具有六個單元（k = 6）聚合物多層異質結構的反射率和
（b）輸出光譜（包括用于比較的入射太陽光源）
【多層薄膜制備技術】
多層結構通過扭轉層疊的微納多層共擠技術制造。與立交疊層的方法相比，更易保證薄膜良好的平滑度。制備過程中，PMMA和PET通過兩個擠出機擠出，并通過層疊器獲得具有一定厚度比的PMMA / PET熔體雙層結構。當通過層疊器時，雙層熔體首先在寬度方向上分成4通道。4個通道的雙層熔體沿擠出軸線方向扭曲90°并在寬度方向被切割前延展至一定寬度，從而形成2*4 = 8層的周期性結構。三個4通道層疊器串聯連接，形成2*4^3 = 128層的多層異質結構。最后通過梯度膜厚層疊器將熔體按比例分割，比例值即六組中PMMA/PET的厚度比。最后通過擠出模頭和成型裝置形成最終的多層異質結構。實際厚度即所有層的厚度之和。
圖 3基于扭轉層壓的微納米多層共擠技術
考慮到加工精度和產業化的需求，在10nm的總厚度誤差范圍內，近紅外光的光譜反射率與理想值偏差極小。并且模擬計算分析表明，正入射角從0°增加到90°過程中，結構在近紅外光區域（780-1100nm）中的反射率總是很高（70％以上）。結果說明：與其他敏感濾光片相比，所設計結構對近紅外光區域（780-1100 nm）的高效反射具有極強的穩定性。
圖 4 （a）基于入射角和波長通過模擬計算的設計結構的反射率;
（b）近紅外光譜（780-1100nm）的反射率對入射角的依賴性。
此研究得到了北京市自然科學基金委等基金的資助。
論文全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1117/1.JNP.11.036021
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