炎炎夏日，在涼爽的空調(diào)房吃著冰鎮(zhèn)的西瓜無(wú)疑是一件十分令人享受的事情。然而無(wú)論是涼爽的房間還是冰鎮(zhèn)的西瓜，都需要制冷技術(shù)的參與?，F(xiàn)有的制冷技術(shù)大都基于蒸汽壓縮制冷，該技術(shù)需要一方面需要利用具有潛在環(huán)境污染的制冷劑，另一方面也需消耗大量電力。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)建筑能耗約占全國(guó)總能耗的35%,而制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占建筑能耗的50～60%左右，因此制冷技術(shù)已經(jīng)成為能耗大戶，技術(shù)亟需更新?lián)Q代。在自然界中，一些生物具有特殊的表面結(jié)構(gòu)，通過(guò)被動(dòng)輻射，表現(xiàn)出驚人的熱調(diào)節(jié)能力。學(xué)習(xí)自然，制備特殊的表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)輻射制冷，無(wú)疑是大有前景的一項(xiàng)技術(shù)。
日前，上海交通大學(xué)的周涵教授與范同祥教授團(tuán)隊(duì)與其合作者，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)角甲蟲(chóng)（Neocerambyx Gigas）翅膀絨毛所具有的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出出色的溫度調(diào)節(jié)能力，而后基于光掩膜的新方法，仿生制備出具有類似結(jié)構(gòu)的柔性薄膜，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式輻射降溫，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)，也實(shí)現(xiàn)輻射降溫薄膜的宏量制備。相關(guān)工作以“Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling”發(fā)表在《PNAS》。
長(zhǎng)角甲蟲(chóng)前翅絨毛形態(tài)及其熱調(diào)控機(jī)制
在印尼和泰國(guó)的火山地區(qū)生活著一種長(zhǎng)角甲蟲(chóng)，它生活的地方夏季氣溫通?？娠j升至 40℃（104℉）以上，地面溫度更是可以達(dá)到 70°C（158°F）。這些長(zhǎng)角甲蟲(chóng)的耐熱及熱調(diào)節(jié)能力引起了研究者們極大的關(guān)注。
研究者首先觀察了長(zhǎng)角甲蟲(chóng)前翅的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)前翅表面長(zhǎng)滿了絨毛，每平方厘米密度達(dá)到25500根以上。前翅的顏色也可以有效的抵御褪色處理，展現(xiàn)出光子晶體的結(jié)構(gòu)色特征。進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)每根絨毛都是由兩個(gè)光滑面與一個(gè)粗糙面組成的三角形結(jié)構(gòu)，粗糙面為寬度1 μm，高度為0.18 μm的波紋型結(jié)構(gòu)，與絨毛本身一起構(gòu)成了多級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。
研究者在掌握了前翅表面的微觀結(jié)構(gòu)之后，又研究了其光學(xué)性質(zhì)與溫度調(diào)節(jié)能力。首先研究者們，研究了前翅在有無(wú)絨毛情況下的反射情況，發(fā)現(xiàn)在絨毛的存在可以將光線反射率提高35 %以上，并且通過(guò)乙醇溶液的浸沒(méi)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定了高反射率是得益于表面所存在的多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步探究機(jī)制原理，研究者采用了時(shí)域有限差分模擬來(lái)研究多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)在不同入射角下的光學(xué)特性。從三角形波紋面一側(cè)以小入射角進(jìn)入的光學(xué)會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。同時(shí)，當(dāng)入射光波長(zhǎng)相與波紋寬度相似時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的Mie散射，從而在所有入射角上均具有較強(qiáng)的反射率。在覆蓋有絨毛的前翅表面吸收率/發(fā)射率達(dá)到0.94，這表明甲蟲(chóng)將身體的熱量很好地散發(fā)到周?chē)?。時(shí)間-溫度曲線也表明：表面的絨毛存在下，顯著的降溫作用，在真空與空氣中分別能達(dá)到3.2 ℃與1.5 ℃的溫度降。這種出色溫度控制能力，有利于昆蟲(chóng)在高溫、陽(yáng)光暴曬的環(huán)境中進(jìn)行日常覓食活動(dòng)。
仿生薄膜的制備與表征
基于對(duì)長(zhǎng)角甲蟲(chóng)前翅表面結(jié)構(gòu)及溫度控制能力的研究，研究者們力圖仿生制備出具有類似結(jié)構(gòu)，且實(shí)現(xiàn)輻射降溫控制仿生輻射降溫薄膜。
在制備過(guò)程中，首先利用光刻法制備具有三角形結(jié)構(gòu)的硅模板，而后將含有有機(jī)硅與氧化鋁微球的前驅(qū)體溶液旋凃于模板表面，熱聚合后分離即的到表面為三角形結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)的薄膜。此種方法，可以實(shí)現(xiàn)薄膜的大尺度，宏量制備，且具有一定的通用性，可實(shí)現(xiàn)氧化鋅、氧化鋯、氧化鎂，二氧化鈦等多種陶瓷顆粒的摻雜。
在得到了仿生薄膜后，研究者對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示其在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)的平均反射率約為95％，并且TASW中的平均發(fā)射率> 0.96，與光滑薄膜相比輻射率有了大幅度的提升。而后又對(duì)薄膜的實(shí)際制冷能力進(jìn)行了評(píng)估，在平均太陽(yáng)強(qiáng)度為約862 W·m-2，濕度為22.7 ％的條件下，仿生薄膜的平均溫度降為5.1 °C，最大溫度降為7 °C。結(jié)果表明，仿生薄膜不僅可以自行冷卻，而且還可以將周?chē)h(huán)境與膜所覆蓋的設(shè)備或熱體的溫度顯著降低。
仿生薄膜不僅可以實(shí)現(xiàn)輻射制冷也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)其他功能，例如由于硅橡膠的低表面能結(jié)合薄膜微納級(jí)別的粗糙表面，薄膜也具有超疏水與自清潔的能力。研究者也將這種仿生輻射制冷薄膜，應(yīng)予于可穿戴設(shè)備，個(gè)人電子設(shè)備，汽車(chē)等器件上，都展現(xiàn)出良好的降溫效果。
小結(jié)
研究者通過(guò)對(duì)長(zhǎng)角甲蟲(chóng)表面微觀結(jié)構(gòu)的研究，探究了其溫度控制的原理；而后基于此原理制備了柔性仿生薄膜，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)輻射降溫，平均溫度降達(dá)到5 ℃以上；同時(shí)，這種仿生薄膜的柔韌性和疏水性也為其在各種可穿戴設(shè)備，電子設(shè)備，及車(chē)輛中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這種被動(dòng)輻射制冷的熱調(diào)控技術(shù)無(wú)疑更加的節(jié)能環(huán)保。這一工作也為后續(xù)基于高性能光子輻射器的輻射冷卻技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路。
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