國儀量子掃描電鏡助力高性能結構色輻射制冷薄膜微觀結構表征

針對上述瓶頸，大連理工大學張宇昂&唐炳濤團隊借助國儀量子掃描電鏡進行了深入研究，成功開發出兼具高制冷效率與豐富色彩的結構色輻射制冷薄膜。該研究以題為"Thermally Induced Rapid, Scalable Fabrication of Structural-Colored Radiative Cooling Films with High Cooling Efficiency"的論文發表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。

該研究核心在于一種熱誘導快速浸涂技術，實現了大面積三維光子晶體（3DPC）結構色層的快速、可控制備。研究團隊巧妙地設計了雙層功能結構：頂層是利用單分散空心二氧化硅（SiO?）微球自組裝形成的3DPC結構色層，它通過物理結構而非化學染料產生鮮艷色彩，從根本上避免了因光熱轉換導致的制冷效率損失；底層則集成具有高太陽光散射效率的中空玻璃微珠（HGBs），能夠有效散射透過結構色層的剩余光線，從而將薄膜的整體太陽反射率提升至前所未有的高度。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為關鍵的成膜基體，不僅將3DPC和HGBs牢固地封裝在一起，賦予薄膜優異的機械強度和環境穩定性，其分子鏈的振動模式（如Si-O-Si鍵的對稱伸縮和彎曲振動）更在ATW波段提供了高紅外發射率，是實現高效輻射散熱的關鍵。

圖2 輻射制冷膜性能表征

在實際應用測試中，該薄膜展現出卓越的降溫效果：在通風的建筑模型屋頂，可使室內溫度比環境溫度降低約10°C；而在模擬密閉車廂的極端環境中，實現了超過17°C的降溫，將內部溫度從52.5°C有效抑制在32.5°C左右，為解決夏季車輛“桑拿房"問題提供了切實可行的方案。

圖3 輻射制冷膜降溫效果

除了卓越的光學與熱學性能，該薄膜的多功能性與耐久性同樣出色。其表面呈現出超疏水特性，水接觸角達到119°，這得益于3DPC和HGBs共同構建的微納復合粗糙結構，使得水滴能夠輕易滾落并帶走表面灰塵，實現了優異的自清潔功能，確保了長期戶外使用的制冷效率。薄膜還表現出強大的機械魯棒性，能夠承受拉伸、彎曲、扭曲等形變而不斷裂，并通過了高強度超聲波清洗、膠帶反復剝離以及棉布耐磨等嚴苛測試，結構色彩與光學性能均保持穩定。此外，通過模擬強紫外線照射、高低溫循環（-65°C至120°C）等加速老化試驗，薄膜的各項性能指標均未出現明顯退化，證明了其出色的環境耐受性。

該研究在制備工藝上實現了重大突破，為產業化鋪平了道路。傳統的重力沉降或浸涂法制備結構色膜往往耗時數天且面積受限。而該團隊開發的熱誘導快速浸涂技術，通過將基底加熱至60°C并輔以10 cm/s的高速提拉，利用馬蘭戈尼效應加速粒子自組裝，可在短短30分鐘內完成大面積（38 cm × 58 cm）光子晶體膜的制備。結合后續的PDMS澆鑄固化，整個流程簡潔高效，易于放大。據初步估算，該薄膜的材料成本僅為每平方米約2.7美元，已具備與市場上部分商業產品競爭的成本優勢，展現出巨大的工業化應用前景。

圖4 輻射制冷膜戶外服役性能

為了量化其節能效益，研究團隊利用EnergyPlus軟件對不同氣候區典型城市的辦公建筑進行了模擬分析。結果表明，將該薄膜應用于建筑屋頂，可在5月至10月的制冷季內，顯著降低空調系統的冷卻能耗14.21–28.03 MJ/m2。這一節能效果換算成電力，相當于每平方米每年可節省3.95–7.78度電，并相應減少2.11–4.17公斤的二氧化碳排放。這些數據充分證實了該材料在推動建筑領域“碳中和"目標實現方面的巨大潛力。

這項工作通過創新的材料設計與工藝突破，成功將結構色的美學價值與輻射制冷的高效節能功能融為一體，開發出一種性能卓越、色彩可調、耐候性強且成本低廉的新型薄膜材料。其快速可規模化的制備工藝、優異的自清潔能力和機械穩定性，使其在建筑節能、汽車熱管理、戶外設備冷卻、通信機柜降溫乃至可持續糧食儲運等廣泛領域展現出巨大的應用價值，為未來綠色低碳生活開辟了新的美學與功能兼具的途徑。