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哈工大李垚教授團隊《Small》：基于石英超構材料的彩色輻射制冷器

2022-05-31 來源：高分子科技

輻射制冷作為一種無能量輸入的清潔制冷方式，對于節省制冷能耗、緩解城市熱島效應和工業及民用領域的熱管理具有重要意義。設計的材料通常在太陽光譜波段(0.25-2.5 μm)具有高的反射率，因此目前輻射制冷器件多呈現白色，難以滿足汽車、建筑及手機等行業對美觀的需求。雖然通過添加量子點、吸收染料及多層共振結構設計能獲得彩色的輻射制冷器，但是上述技術均在可見光波段引入了吸收峰，嚴重降低了輻射制冷器件的性能。因此，如何有效地平衡輻射制冷性能和彩色顯示，盡可能降低設計材料在太陽光譜的吸收，一直是彩色輻射制冷領域亟待解決的難題。

圖1 彩色輻射制冷器的制備流程和色彩表征

近日，哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所李垚教授、化工與化學學院徐洪波副教授和華中科技大學楊榮貴教授，受到彩虹蜘蛛的啟發，利用微納結構的光學衍射特性制備了一種在可見光范圍內無吸收峰的彩色輻射制冷器。該輻射制冷器能通過仿生微納結構提升中紅外的吸收/輻射(8-14μm)，同時該仿生微納結構改變可見光的空間分布呈現出炫麗的彩色。通過FDTD模擬設計SiO₂微錐陣列，并且以金屬銀層作為反射基底，進一步調整微錐陣列的結構高度，長徑比和平均周期，輻射冷卻器能夠表現出多種結構色。圖1(a-b) 展示了設計的彩色輻射制冷器的制備流程和相應截面的SEM圖，從中可以觀察到最終制備的微錐結構具有大約2μm的平均結構高度。進一步在不同角度觀察輻射制冷器的表面，根據圖1(c-e)所示，樣品展示了伴隨角度變化的結構色。同時，該輻射冷卻器件具有良好的輻射制冷能力。其在太陽光譜波段(0.25-2.5 μm)具有95%的平均反射率，在大氣窗口(8-13 μm)具有高達0.95的紅外輻射率，日間具有7.1℃的降溫能力(圖2 a-b)。理論計算結果表明，當溫差ΔT= 0時，輻射制冷器的冷卻功率可以達到143 W m^-2(圖2 c-d)。

圖2彩色輻射制冷器的光譜性能和理論冷卻功率計算

本項研究有效解決了材料輻射冷卻性能和色彩顯示之間難以同時實現的問題。并且該項研究將模擬設計作為正向指導，最后以設計材料的光譜性能進行有效的反向驗證，這為實現微結構材料的可控制備提供了有效參考。該工作以“Iridescent Daytime Radiative Cooling with No Absorption Peaks in the Visible Range”為題發表在《Small》上(Small 2022, 2202400)。該研究得到國家自然科學基金委的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202400

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（責任編輯：xu）

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