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哈工大李垚教授團(tuán)隊(duì)《Small》：基于石英超構(gòu)材料的彩色輻射制冷器
2022-05-31  來(lái)源：高分子科技

  輻射制冷作為一種無(wú)能量輸入的清潔制冷方式，對(duì)于節(jié)省制冷能耗、緩解城市熱島效應(yīng)和工業(yè)及民用領(lǐng)域的熱管理具有重要意義。設(shè)計(jì)的材料通常在太陽(yáng)光譜波段(0.25-2.5 μm)具有高的反射率，因此目前輻射制冷器件多呈現(xiàn)白色，難以滿足汽車、建筑及手機(jī)等行業(yè)對(duì)美觀的需求。雖然通過(guò)添加量子點(diǎn)、吸收染料及多層共振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能獲得彩色的輻射制冷器，但是上述技術(shù)均在可見(jiàn)光波段引入了吸收峰，嚴(yán)重降低了輻射制冷器件的性能。因此，如何有效地平衡輻射制冷性能和彩色顯示，盡可能降低設(shè)計(jì)材料在太陽(yáng)光譜的吸收，一直是彩色輻射制冷領(lǐng)域亟待解決的難題。

 

圖1 彩色輻射制冷器的制備流程和色彩表征


  近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所李垚教授、化工與化學(xué)學(xué)院徐洪波副教授和華中科技大學(xué)楊榮貴教授，受到彩虹蜘蛛的啟發(fā)，利用微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)衍射特性制備了一種在可見(jiàn)光范圍內(nèi)無(wú)吸收峰的彩色輻射制冷器。該輻射制冷器能通過(guò)仿生微納結(jié)構(gòu)提升中紅外的吸收/輻射(8-14μm)，同時(shí)該仿生微納結(jié)構(gòu)改變可見(jiàn)光的空間分布呈現(xiàn)出炫麗的彩色。通過(guò)FDTD模擬設(shè)計(jì)SiO2微錐陣列，并且以金屬銀層作為反射基底，進(jìn)一步調(diào)整微錐陣列的結(jié)構(gòu)高度，長(zhǎng)徑比和平均周期，輻射冷卻器能夠表現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)色。圖1(a-b) 展示了設(shè)計(jì)的彩色輻射制冷器的制備流程和相應(yīng)截面的SEM圖，從中可以觀察到最終制備的微錐結(jié)構(gòu)具有大約2μm的平均結(jié)構(gòu)高度。進(jìn)一步在不同角度觀察輻射制冷器的表面，根據(jù)圖1(c-e)所示，樣品展示了伴隨角度變化的結(jié)構(gòu)色。同時(shí)，該輻射冷卻器件具有良好的輻射制冷能力。其在太陽(yáng)光譜波段(0.25-2.5 μm)具有95%的平均反射率，在大氣窗口(8-13 μm)具有高達(dá)0.95的紅外輻射率，日間具有7.1℃的降溫能力(圖2 a-b)。理論計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)溫差ΔT= 0時(shí)，輻射制冷器的冷卻功率可以達(dá)到143 W m-2(圖2 c-d)。


圖2彩色輻射制冷器的光譜性能和理論冷卻功率計(jì)算

 

  本項(xiàng)研究有效解決了材料輻射冷卻性能和色彩顯示之間難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。并且該項(xiàng)研究將模擬設(shè)計(jì)作為正向指導(dǎo)，最后以設(shè)計(jì)材料的光譜性能進(jìn)行有效的反向驗(yàn)證，這為實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)材料的可控制備提供了有效參考。該工作以“Iridescent Daytime Radiative Cooling with No Absorption Peaks in the Visible Range”為題發(fā)表在《Small》上(Small 2022, 2202400)。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202400

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