哈工大李垚教授团队《Small》：基于石英超构材料的彩色辐射制冷器

2022-05-31 来源：高分子科技

辐射制冷作为一种无能量输入的清洁制冷方式，对于节省制冷能耗、缓解城市热岛效应和工业及民用领域的热管理具有重要意义。设计的材料通常在太阳光谱波段(0.25-2.5 μm)具有高的反射率，因此目前辐射制冷器件多呈现白色，难以满足汽车、建筑及手机等行业对美观的需求。虽然通过添加量子点、吸收染料及多层共振结构设计能获得彩色的辐射制冷器，但是上述技术均在可见光波段引入了吸收峰，严重降低了辐射制冷器件的性能。因此，如何有效地平衡辐射制冷性能和彩色显示，尽可能降低设计材料在太阳光谱的吸收，一直是彩色辐射制冷领域亟待解决的难题。

图1 彩色辐射制冷器的制备流程和色彩表征

近日，哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所李垚教授、化工与化学学院徐洪波副教授和华中科技大学杨荣贵教授，受到彩虹蜘蛛的启发，利用微纳结构的光学衍射特性制备了一种在可见光范围内无吸收峰的彩色辐射制冷器。该辐射制冷器能通过仿生微纳结构提升中红外的吸收/辐射(8-14μm)，同时该仿生微纳结构改变可见光的空间分布呈现出炫丽的彩色。通过FDTD模拟设计SiO₂微锥阵列，并且以金属银层作为反射基底，进一步调整微锥阵列的结构高度，长径比和平均周期，辐射冷却器能够表现出多种结构色。图1(a-b) 展示了设计的彩色辐射制冷器的制备流程和相应截面的SEM图，从中可以观察到最终制备的微锥结构具有大约2μm的平均结构高度。进一步在不同角度观察辐射制冷器的表面，根据图1(c-e)所示，样品展示了伴随角度变化的结构色。同时，该辐射冷却器件具有良好的辐射制冷能力。其在太阳光谱波段(0.25-2.5 μm)具有95%的平均反射率，在大气窗口(8-13 μm)具有高达0.95的红外辐射率，日间具有7.1℃的降温能力(图2 a-b)。理论计算结果表明，当温差ΔT= 0时，辐射制冷器的冷却功率可以达到143 W m^-2(图2 c-d)。

图2彩色辐射制冷器的光谱性能和理论冷却功率计算

本项研究有效解决了材料辐射冷却性能和色彩显示之间难以同时实现的问题。并且该项研究将模拟设计作为正向指导，最后以设计材料的光谱性能进行有效的反向验证，这为实现微结构材料的可控制备提供了有效参考。该工作以“Iridescent Daytime Radiative Cooling with No Absorption Peaks in the Visible Range”为题发表在《Small》上(Small 2022, 2202400)。该研究得到国家自然科学基金委的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202400

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（责任编辑：xu）

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