孔结构是调节多孔聚合物光学性能的重要因素。辐射冷却材料通常围绕固定条件下的高太阳反射率和高红外发射率进行设计，但太阳辐照、湿度、云量和对流条件的变化会影响实际降温效果。如何根据使用环境选择孔结构，是多孔辐射冷却材料需要回答的问题。中山大学翟文涛教授团队受蝶翼启发，在同一聚合物体系内构建可调节的梯度孔结构，并通过实验验证了不同热环境对应不同的最优结构。

图1 蝶翼启发的梯度多孔薄膜设计与环境需求指导下的孔结构选择

  近期，中山大学材料科学与工程学院翟文涛教授团队以热塑性聚氨酯（TPU）为基体，结合聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分散相、氧化锆（ZrO?）纳米颗粒和厚度方向的梯度孔结构，制备了高反射、高发射的多孔辐射冷却薄膜（图1）。优化后的G-TPU/PMMA/ZrO?薄膜太阳反射率达到96.4%，红外发射率达到98.5%，在广州户外测试中表现出所比较样品中的最低温度。

  2026年9月8日，该工作以“Butterfly-Wing-Inspired Pore Architecture Adaptation for Environment-Guided Radiative Cooling Film”为题发表于《Advanced Functional Materials》。文章第一作者为中山大学博士生王俞舒。该研究得到广东省重点研发、国家自然科学基金等项目支持。

  研究团队比较了来自陕西、四川和广东的蝶翼样本，从鳞片内部开放程度、孔隙组织及光谱响应的差异中提取结构设计思路。在TPU/PMMA/ZrO?体系中，PMMA经熔融共混与相分离形成球状分散域，随后通过二氧化碳物理发泡，在薄膜厚度方向形成外层大孔、中央小孔的梯度分布。PMMA分散域位于孔壁或基体内部，ZrO?纳米颗粒提高局部折射率差异，使空气孔隙、聚合物分散相和无机颗粒共同参与光散射。

  梯度孔结构通过改变光在厚度方向上的传播，提高太阳光返回入射侧的概率。外层大孔首先使入射光发生散射，中央小孔层进一步作用于进入内部的光。单孔散射计算和电场分布模拟表明，不同孔径的作用具有波长依赖性，小孔更有利于较短波长的散射，较大孔则有助于维持近红外波段的散射。PMMA分散域补充了可见光和近红外波段的散射界面，ZrO?的增强作用在紫外和短波可见光区域更为明显。不同尺度结构共同扩大了有效反射的波段范围。光谱对比显示，非梯度TPU/PMMA/ZrO?薄膜与未添加ZrO?的梯度TPU/PMMA薄膜的太阳反射率分别为85%和87%，均低于梯度复合薄膜的96.4%（图2）。薄膜的红外响应主要来自聚合物的分子振动，同时受到孔结构与材料界面的影响。太阳波段的高反射减少了热量输入，红外波段的高发射则有利于向外释放热辐射，两者共同改善了材料的热平衡。

图2 梯度多孔复合薄膜的太阳反射与红外发射性能及光学机制

  在24小时连续户外测试中，G-TPU/PMMA/ZrO?在昼夜测试中保持最低的样品温度。在验证单个优化样品的性能后，团队进一步比较了不同环境所需的孔结构。通过调节工艺，在同一体系内制备了大孔富集型E-SG、孔结构均衡型B-SG和致密小孔富集型R-SG（图3）。E-SG具有较开放的大孔结构，并保持较高的大气窗口发射率；R-SG依靠更密集的空气与聚合物界面加强太阳光散射；B-SG则在太阳反射和红外辐射之间呈现较均衡的光谱响应。团队利用可调节太阳辐照、温度和湿度的气候箱开展同步测试，每种环境进行了三次独立测量。干燥环境中，大气窗口更有利于向外辐射散热；湿热环境中，水汽和云层限制了辐射散热，减少太阳热量吸收的作用更加突出。这些结果为根据目标环境确定太阳反射与红外散热需求，再通过制备工艺选择孔结构提供了依据。

图3 三类环境导向孔结构及其在代表性热环境中的温度对比

  研究还采用EnergyPlus对九个代表性城市进行了全年建筑能耗模拟，同时考虑制冷负荷的减少和采暖负荷的增加。结果表明，新加坡、胡志明市和迈阿密等以制冷需求为主的城市具有较好的全年节能潜力。对于莫斯科和雅库茨克等寒冷城市，全年使用高反射、高发射表面可能增加采暖需求，抵消甚至超过制冷收益。因此，辐射冷却材料的应用评价需要同时考虑当地气候和全年用能需求。

  该工作通过梯度孔与孔壁界面的设计改善了薄膜的光谱和降温性能，并以不同环境下最优孔结构的变化，说明材料结构应服务于具体环境需求。结合全年建筑能耗模拟，研究为多孔辐射冷却薄膜的结构选择和地区适用性评价提供了实验与计算依据。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78274