近年來，全球氣候系統(tǒng)正經(jīng)歷前所未有的升溫壓力，《中國氣候變化藍皮書（2025）》指出中國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，增暖速率高于同期全球平均水平，極端天氣氣候事件趨多、趨強。面對全球氣候變暖與能源消耗激增的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的主動冷卻設(shè)備（如空調(diào)）在消耗巨量電能的同時，也加劇了城市熱島效應(yīng)和溫室氣體排放，迫切需要更綠色、高效的替代方案。
近日，智能科技學(xué)院顧敏院士、張軼楠教授團隊在光學(xué)領(lǐng)域知名期刊《PhotoniX》上發(fā)表題為“用于被動輻射冷卻的可擴展、超薄、高選擇性和高發(fā)射性的微球-聚合物耦合超表面薄膜”（Scalable, ultrathin, highly selective and emissive films by microsphere-polymer coupled metasurfaces for passive radiative cooling）的創(chuàng)新研究成果。智能科技學(xué)院博士生朱倩為第一作者，顧敏院士、張軼楠教授和王彤特聘副研究員為通訊作者，上海理工大學(xué)為第一單位。
據(jù)了解，被動日間輻射制冷（PDRC）技術(shù)因能在零能耗條件下將熱量通過8–13 μm大氣透明窗口輻射至外太空而備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有被動日間輻射制冷材料在“高選擇性輻射、結(jié)構(gòu)超薄化與規(guī)模化制造”三者之間長期存在難以兼顧的難題——無機介電材料雖能實現(xiàn)高光譜選擇性與發(fā)射率，卻因依賴真空鍍膜設(shè)備，制備復(fù)雜、成本高，可擴展性與兼容性受限；有機聚合物雖經(jīng)濟且易規(guī)模化生產(chǎn)，卻因低折射率、高色散，發(fā)射光譜與大氣透明窗口匹配度差，且厚度較厚。
針對這一瓶頸，研究團隊創(chuàng)新性地提出了“微球-聚合物耦合超表面”的設(shè)計理念。其核心創(chuàng)新在于利用SiO?微球與PDMS基體之間的光學(xué)耦合效應(yīng)，選擇性地激發(fā)和抑制8–13 μm大氣窗口之內(nèi)和之外的米氏共振。通過精確調(diào)控微球直徑和嵌入深度實現(xiàn)了高紅外發(fā)射率（0.96）、強光譜選擇性（1.50）和高太陽反射率（0.96）。在上海屋頂實測中，降溫幅度最高達7.1 ℃。這種結(jié)構(gòu)在確保高制冷性能的同時，兼具超薄（僅約10.5 μm）、輕質(zhì)、柔性等優(yōu)點。此外，其還可以卷對卷的方式實現(xiàn)薄膜連續(xù)化制備，具備顯著的成本優(yōu)勢和規(guī)模化生產(chǎn)潛力，可廣泛應(yīng)用于建筑外墻、汽車車身和冷卻水箱等場景。能源建模預(yù)測顯示，其在建筑應(yīng)用中可降低約40%的制冷能耗，每年每棟建筑可減少數(shù)噸的二氧化碳排放，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了切實可行的新路徑。
這項研究不僅在材料設(shè)計上展現(xiàn)出獨特的“微球-聚合物耦合”思路，突破了高選擇性輻射制冷薄膜“性能–厚度–可制造性”的三重約束，為輻射制冷從實驗室走向大規(guī)模應(yīng)用開辟了新范式。同時該工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會、上海市科委等項目支持，相關(guān)技術(shù)已申請發(fā)明專利。
微球聚合物耦合超表面輻射制冷超薄薄膜概念圖
論文鏈接:https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-025-00198-z
