“制冷节能”新突破!研制新型光学纳米薄膜
正值“三伏天”，炎炎烈日下，相较于其他颜色，身着一袭白衣视觉上、体感上会让我们清凉几分。从光学角度来讲，这是因为白色只反射而不吸收太阳光，而诸如蓝色或黑色等其他颜色，则会在吸收其互补波段光的同时产生热量。
为了减缓这种热效应，近日，来自深圳大学的研究团队受蝴蝶翼翅中微纳结构的启发，研制出一款具有被动式制冷功能的艳色纳米薄膜。这种新型薄膜工作在可见光波段，但却不会吸收日光，因此能够用在建筑、交通等领域相关设施外部，在保留鲜艳色彩的同时，降低物体制冷所需能耗。(DOI: 10.1364/OPTICA.487561)
“在建筑物中，制冷和通风对能源的消耗巨大，在电动汽车中运行空调甚至会使续航里程减少一半以上，”该研究团队的负责人汪国平教授林介绍道。“在此基础上，我们的制冷薄膜能够对发展可持续性能源以及碳中和提供很大的帮助。”
在这项工作中，研究人员展示了它们所研发的新型制冷薄膜能将彩色物体的温度降低至比环境温度低大约2℃。此外他们还发现，当在室外进行整天测试时，蓝色型号的薄膜要比传统的蓝色车漆低26℃左右，这意味着每年可节省大约1377MJ/m2能源。
“有了这种新薄膜，无论想要什么颜色，它们的饱和度和亮度如何，都能实现出色的制冷功效，”汪国平教授林补充道。“它们甚至可以与纺织工艺相结合，制作出颜色丰富、在高温下保持舒爽透气的衣物。”
通常情况下，一台喷有蓝色车漆的轿车在日光照射下会呈现蓝色，这种现象其实代表了我们平时生活中的一种最常用的着色方式，即色素着色。然而，这种传统着色方式会因吸收光而产生大量的热，从而使车内温度升高。这时，自然界中一种名为“蓝闪蝶”的生物进入了研究人员的视野。与传统涂料不同，它们可以通过自身翅膀中的微纳结构来产生具有高饱和度的蓝色，这种由生物亚显微结构与光相互作用所带来的光学效果也被称为结构色。与色素着色相比，结构色不易褪色，而且环保、颜色饱和度高，因此在显示、装饰和防伪等领域都有广阔的应用前景。正是在此基础上，研究人员通过仿生蓝闪蝶翅中的微纳结构，最终制备出了一种在不吸收光的情况下、就能产生艳丽色彩的“被动式制冷纳米薄膜”。
为构造出这样一种“蓝闪蝶翅”式的纳米薄膜，研究人员首先将二氧化钛和二氧化铝薄膜交替堆叠，制备出一个多层膜，并将其放置在粗糙的磨砂玻璃(一种无序材料)上;随后，研究人员又将一层银膜衬于玻璃底部，用来反射全波段的可见光，以此避免吸收太阳辐射所带来的热效应，从而实现被动式制冷功能。此外，薄膜的颜色可通过调整其结构中各部分对光的反射情况来进行操控。例如，要想使薄膜呈现蓝色，就需要对多层膜部分的各膜层厚度来进行设计，以使其在一个极窄的角度范围内反射黄光，同时使无序结构层在一个较宽的范围内散射蓝光。值得一提的是，尽管之前已有相关工作实现了这种类型的被动式光子热管理，但它们都只能用于白色或透明物体。这主要是因为它们很难在一个宽视角范围内保持较高的颜色饱和度，从而在一定程度上限制了它们应用的广泛性。
“受益于我们所开发的这种分层结构，我们得以在保留色彩性能的同时成功将被动式制冷方式的对象由无色推广至有色，”团队负责人汪国平教授林介绍道。“换句话说，由于蓝色薄膜可以在可见光波段内反射所有入射光，因此它不会发热，而且在一个广阔的视角范围内看起来都会是明艳的蓝色。此外，通过优化结构还能实现高饱和度和亮度。”
为了测试这一新技术，研究人员首先制备了蓝色、黄色和无色的三种薄膜，并将它们放置在了深圳大学室外，随后选取了屋顶、汽车、布料和手机等物体的表面作为对照。通过在冬夏两季的上午9点到下午4点间采用热电偶传感器和红外摄像仪对温度进行监测，研究人员发现，制冷膜在冬天可以比它们放置处的表面温度低大约15℃，而在夏天可达35℃左右。
最后，研究人员还指出，通过将铝膜代替银膜，可以进一步降低薄膜的制备成本，还能采用电子束蒸发和磁控溅射等可扩展的方式来进行制备。可以肯定的是，研究人员已经展示了这种新型薄膜的制冷性能，下一步通过研究和优化机械和化学稳定性等性能，这一技术有望在未来实现产业化。
原标题：“制冷节能”新突破！研制新型光学纳米薄膜
