中科院化学所赵宁研究员/徐坚研究员课题组：基于光热协同效应的仿生日间辐射降温皮肤

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面对极端气候和全球变暖的挑战，“道法自然”，顺应自然规律的热管理可以最大限度地减少对能源和环境的消耗，是可持续发展的重要途径。其中，日间被动降温 (Passive daytime radiative cooling，PDRC) 可以在高效反射太阳光的基础上，仅通过材料在中红外大气窗口（8-13 μm）净辐射热输出实现低于室温的降温效果。尽管在韧性、可加工性和规模制备方面出现新突破，目前PDRC材料仍面临适用环境严苛、冷却性能不足和不易于实施等挑战。特别是强日照、高湿度、低可见度或建筑物密集等条件下，中红外大气窗口透过率较低，PDRC效果将大打折扣。

为提高PDRC材料的降温效果并拓展其应用范围，中国科学院化学研究所赵宁研究员/徐坚研究员课题组与意大利佛罗伦萨大学Lorenzo Pattelli教授合作，基于北极熊保温皮毛的光热协同效应，提出一种可复用的双层柔性PDRC器件设计方案（图1a）。将高度散射的聚乙烯（PE）纳米片气凝胶层和商业化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行复合，从而获得可在多种基材上即贴即用的柔性降温“皮肤”。其中，热致相分离所得PE气凝胶兼具日光反射、中红外透过与保温特性，PDMS膜则作为中红外发射体直接提供辐射降温功能。

图1. 基于高度散射气凝胶的仿生双层膜路线。北极熊保温皮毛和仿生降温皮肤的光热模型（a）；柔性PE气凝胶形貌特征（b）；不同波长处平均散射截面及平均各向异性因子和孔径的对应关系（c）；气凝胶光谱特征及光热性质（d）

通过优化其孔径分布，孔隙率高达97.9%的PE气凝胶在2.7 mm厚度时具备较高日光反射率（0.96）和中红外发射率（0.8），显著优于用于辐射降温的同类材料。除了极低的PE填充率外，经模拟计算，气凝胶中精细调控所得的3.8±1.4 μm孔径也有助于通过促进前向散射来增强中红外传输。最后，由于气凝胶提供的绝热作用（热导率低至32 mW m^-1 K^-1），PE/PDMS双层膜的PDRC效率得到了进一步提高。结果表明，在太阳辐照度高于1000 W m^–2的中湿度市区中，该双层膜的亚环境温降达5-6 °C；在辐照度高于800 W m^–2 的干燥郊区中，尽管有轻度扬尘，该双层膜的亚环境温降可至6-7 °C；而在理想的使用条件下，计算得出的温降极限值为14 °C，持平或优于文献报道值。

图2. PE/PDMS双层膜降温效果。不同基底材料上的降温效果（b）；强日照、中湿度城市环境中的亚环境温降（d）；中日照、低湿度、轻微扬尘的郊区环境中的亚环境温降（f）

图3. 辐射机制与非辐射机制的协同效应。不同压缩程度气凝胶的日光反射率、中红外透过率、热阻变化，及其对温降的影响（a）；与不同热阻的气凝胶粘接所得双层膜的日间及夜间降温功率及温降（b）

利用PE气凝胶的高日光反射率及其光热协同效应，普适的仿生双层路线有希望拓展PDRC材料的丰富性，并提高其在多种气象条件下的降温效果。特别地，将这种中红外透明的气凝胶反射层用于PDRC，所实现的功能分区允许PDRC器件在中红外发射体选择和功能组合方面更加灵活。例如，受益于PE气凝胶的自清洁特质和PDMS与基体间的适度粘附力，该双层降温材料的长期使用性能和可重复使用性（降低冬季的能源成本）得以增强，这在实际应用中至关重要。相关研究成果Bioinspired “Skin” with Cooperative Thermo-Optical Effect for Daytime Radiative Cooling发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

论文链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c03897

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