国仪量子扫描电镜助力高性能结构色辐射制冷薄膜微观结构表征

针对上述瓶颈，大连理工大学张宇昂&唐炳涛团队借助国仪量子扫描电镜进行了深入研究，成功开发出兼具高制冷效率与丰富色彩的结构色辐射制冷薄膜。该研究以题为"Thermally Induced Rapid, Scalable Fabrication of Structural-Colored Radiative Cooling Films with High Cooling Efficiency"的论文发表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。

该研究核心在于一种热诱导快速浸涂技术，实现了大面积三维光子晶体（3DPC）结构色层的快速、可控制备。研究团队巧妙地设计了双层功能结构：顶层是利用单分散空心二氧化硅（SiO?）微球自组装形成的3DPC结构色层，它通过物理结构而非化学染料产生鲜艳色彩，从根本上避免了因光热转换导致的制冷效率损失；底层则集成具有高太阳光散射效率的中空玻璃微珠（HGBs），能够有效散射透过结构色层的剩余光线，从而将薄膜的整体太阳反射率提升至前所未有的高度。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为关键的成膜基体，不仅将3DPC和HGBs牢固地封装在一起，赋予薄膜优异的机械强度和环境稳定性，其分子链的振动模式（如Si-O-Si键的对称伸缩和弯曲振动）更在ATW波段提供了高红外发射率，是实现高效辐射散热的关键。

图2 辐射制冷膜性能表征

在实际应用测试中，该薄膜展现出卓越的降温效果：在通风的建筑模型屋顶，可使室内温度比环境温度降低约10°C；而在模拟密闭车厢的极端环境中，实现了超过17°C的降温，将内部温度从52.5°C有效抑制在32.5°C左右，为解决夏季车辆“桑拿房"问题提供了切实可行的方案。

图3 辐射制冷膜降温效果

除了卓越的光学与热学性能，该薄膜的多功能性与耐久性同样出色。其表面呈现出超疏水特性，水接触角达到119°，这得益于3DPC和HGBs共同构建的微纳复合粗糙结构，使得水滴能够轻易滚落并带走表面灰尘，实现了优异的自清洁功能，确保了长期户外使用的制冷效率。薄膜还表现出强大的机械鲁棒性，能够承受拉伸、弯曲、扭曲等形变而不断裂，并通过了高强度超声波清洗、胶带反复剥离以及棉布耐磨等严苛测试，结构色彩与光学性能均保持稳定。此外，通过模拟强紫外线照射、高低温循环（-65°C至120°C）等加速老化试验，薄膜的各项性能指标均未出现明显退化，证明了其出色的环境耐受性。

该研究在制备工艺上实现了重大突破，为产业化铺平了道路。传统的重力沉降或浸涂法制备结构色膜往往耗时数天且面积受限。而该团队开发的热诱导快速浸涂技术，通过将基底加热至60°C并辅以10 cm/s的高速提拉，利用马兰戈尼效应加速粒子自组装，可在短短30分钟内完成大面积（38 cm × 58 cm）光子晶体膜的制备。结合后续的PDMS浇铸固化，整个流程简洁高效，易于放大。据初步估算，该薄膜的材料成本仅为每平方米约2.7美元，已具备与市场上部分商业产品竞争的成本优势，展现出巨大的工业化应用前景。

图4 辐射制冷膜户外服役性能

为了量化其节能效益，研究团队利用EnergyPlus软件对不同气候区典型城市的办公建筑进行了模拟分析。结果表明，将该薄膜应用于建筑屋顶，可在5月至10月的制冷季内，显著降低空调系统的冷却能耗14.21–28.03 MJ/m2。这一节能效果换算成电力，相当于每平方米每年可节省3.95–7.78度电，并相应减少2.11–4.17公斤的二氧化碳排放。这些数据充分证实了该材料在推动建筑领域“碳中和"目标实现方面的巨大潜力。

这项工作通过创新的材料设计与工艺突破，成功将结构色的美学价值与辐射制冷的高效节能功能融为一体，开发出一种性能卓越、色彩可调、耐候性强且成本低廉的新型薄膜材料。其快速可规模化的制备工艺、优异的自清洁能力和机械稳定性，使其在建筑节能、汽车热管理、户外设备冷却、通信机柜降温乃至可持续粮食储运等广泛领域展现出巨大的应用价值，为未来绿色低碳生活开辟了新的美学与功能兼具的途径。