四川大學王玉忠院士、宋飛教授AM：彩色輻射冷卻新材料，為綠色建筑節能添“彩”

在全球極端高溫天氣日益頻繁的背景下，傳統的主動冷卻系統不僅能耗高，還會加劇溫室氣體排放，形成惡性循環。被動輻射冷卻技術因其零能耗的冷卻潛力而備受關注，然而，現有高性能輻射冷卻材料多為白色，美觀性不足，且難以同時實現高冷卻效率、機械魯棒性與豐富的色彩表達。如何開發出兼具美學吸引力與高效熱管理性能的彩色輻射冷卻材料，已成為該領域走向實際應用的關鍵挑戰。

近日，四川大學王玉忠院士、宋飛教授團隊提出了一種基于尺寸排阻輔助選擇性滲透策略的新型結構彩色日間輻射冷卻（SCDRC）片材。該材料通過將低太陽吸收、高紅外發射的聚合物滲透到預組裝的膠體晶體模板中，形成有序的逆蛋白石結構上層；同時，將微米級氮化硼片選擇性地排阻在外，形成高反射的隨機堆疊微結構下層。這種無縫界面的雙層結構實現了>96%的太陽光反射率和>94%的中紅外發射率，在戶外環境下可實現低于環境溫度7℃的冷卻效果，并在中國多個氣候區平均降低約20.7%的冷卻能耗。該光子結構在長期濕熱環境下表現出優異的穩定性，為開發美觀、耐久、高效的彩色冷卻材料提供了新平臺。相關論文以“Photonic Inverse Opal-Enabled Seamless Interface of Bilayer Structure for Color Regulation and Robust Passive Radiative Cooling”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊首先制備了單分散SiO?納米球模板，通過調節其直徑在200至300納米范圍內，獲得了覆蓋可見光譜的結構色（圖1c）。隨后，他們將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）與六方氮化硼（h-BN）片混合溶液澆注在模板上。PMMA能滲透至模板間隙，而較大的h-BN片則被排阻在外層。溶劑揮發后，蝕刻去除SiO?模板，形成具有無縫界面的雙層結構（圖1e）。所得SCDRC片材不僅呈現鮮艷的結構色（圖1f），其多孔逆蛋白石骨架與隨機堆疊的h-BN片共同增強了太陽光散射能力。

圖1 | SCDRC薄膜的設計、制備與表征 （a）SCDRC薄膜制備流程示意圖。（b）二氧化硅光子晶體模板表面SEM圖像。（c）展示不同結構色的二氧化硅模板實物照片。（d）SHDP薄膜表面SEM圖像。（e）SCDRC薄膜截面SEM圖像及EDS元素分布圖。（f）不同結構色的SCDRC薄膜實物照片。

為探究h-BN片的光學行為，團隊進行了時域有限差分模擬（圖2）。結果表明，h-BN片的厚度對其散射效率影響顯著，厚度為0.05微米時散射性能最優。模擬與實驗均證實，加入直徑為0.8微米的h-BN片能顯著提升復合材料在太陽光譜范圍內的反射率（圖2d-e）。當h-BN體積分數為25%、片材厚度為1.2毫米時，材料在保持機械完整性的同時實現了約94.74%的太陽光反射率。

圖2 | 氮化硼的光學性質與太陽反射增強 （a）不同直徑、固定厚度（0.05μm）的單層氮化硼片層散射效率模擬。（b）直徑0.8μm、三種不同厚度氮化硼片層在波長0.5μm處的遠場散射相函數與近場電場分布。（c）PMMA/氮化硼復合材料內部多重散射行為示意圖。（d）不同直徑氮化硼片層在5μm厚度模型中的模擬反射光譜。（e）實驗測得的含不同直徑氮化硼的PMMA復合材料光譜反射率與發射率。

通過對比純PMMA、具有逆蛋白石結構的著色PMMA（PMMAIOs）、h-BN填充PMMA（PMMAh-BN）及SCDRC片材的光學性能（圖3），研究發現SCDRC片材在可見至近紅外波段反射率顯著提升，這歸功于逆蛋白石結構的布拉格反射與h-BN散射的協同效應（圖3b-d）。此外，SCDRC片材在大氣透明窗口（8-13微米）表現出高于94%的紅外發射率，這源于PMMA中C-O-C鍵和h-BN中B-N鍵的分子振動（圖3f）。

圖3 | SCDRC薄膜的光譜特性 （a）四種樣品的截面SEM圖像。（b）基于FDTD模擬的反射光譜。（c）實驗測得的反射光譜與發射率（AM 1.5光照下，有效厚度約1.2mm）。（d）PMMA、結構色PMMA、氮化硼填充PMMA及SCDRC薄膜界面光相互作用示意圖。（e）綠色、青色、藍色及白色SCDRC薄膜實物照片。（f）對應樣品的反射率與發射率光譜。

在實際戶外測試中（圖4），SCDRC片材在平均太陽輻照度約531 W/m2的條件下，相比環境溫度實現了平均5.28℃的降溫，夜間仍保持約2.3℃的冷卻效果（圖4b）。與商業屋頂材料相比，SCDRC片材在晴雨天氣下均表現出持續且顯著的冷卻優勢（圖4e-f）。在模擬建筑模型測試中，覆蓋SCDRC片材的小屋室內溫度比未覆蓋及覆蓋商用紅瓦屋頂的小屋分別低約4.66℃和5.65℃（圖4h）。能耗模擬進一步顯示，使用SCDRC片材作為屋頂外層，在中國各地年平均可降低約20.7%的制冷能耗，在熱帶與亞熱帶地區效果尤為突出（圖4i-j）。

圖4 | 日間輻射冷卻性能與應用評估 （a）亞環境輻射冷卻測試裝置實物照片（上）與示意圖（下）。（b）2024年7月30日記錄的實時溫度曲線、太陽輻照度、相對濕度及環境空氣、PMMA/氮化硼覆蓋與SCDRC薄膜覆蓋腔體的亞環境溫差。（c）PMMA/氮化硼與SCDRC薄膜光學性能與冷卻性能對比。（d）SCDRC薄膜與文獻中代表性彩色輻射冷卻材料的太陽反射率與中紅外發射率對比。（e）SCDRC薄膜、商用紅色屋頂材料與PMMA/氮化硼薄膜實物照片。（f）2024年10月23–24日晴天條件下使用不同覆蓋材料時腔體與環境空氣的實時溫度變化。（g）三種建筑模型示意圖：商用紅屋頂（左）、無覆蓋（中）、SCDRC薄膜覆蓋（右）。（h）2024年10月22日陽光直射下三種模型室內溫度監測。（i）SCDRC薄膜在中國不同地區預計的年均節能潛力。（j）中國不同地區建筑模型在使用與未使用SCDRC薄膜屋頂時的年冷卻能耗對比。

該研究還驗證了SCDRC片材的環境耐久性，其在長期水浸、紫外照射后仍能保持穩定的光學性能與結構完整性，顯示出良好的戶外應用潛力。

綜上所述，這項研究通過創新的尺寸排阻輔助自組裝策略，成功制備出兼具可調結構色與高效輻射冷卻性能的雙層片材。該材料不僅實現了>96%的太陽反射率和>94%的紅外發射率，在實際戶外測試中展現出最高低于環境7℃的冷卻能力，并具有優異的耐候性與機械穩定性。此項工作為開發界面無縫、美觀高效且可規模化生產的彩色輻射冷卻材料提供了新范式，在綠色建筑、工業設備等領域具有廣闊的應用前景，有望推動下一代節能材料的發展。