炎炎夏日，在涼爽的空調房吃著冰鎮(zhèn)的西瓜無疑是一件十分令人享受的事情。然而無論是涼爽的房間還是冰鎮(zhèn)的西瓜，都需要制冷技術的參與。現有的制冷技術大都基于蒸汽壓縮制冷，該技術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。據統計,我國建筑能耗約占全國總能耗的35%,而制冷空調系統的能耗又占建筑能耗的50～60%左右，因此制冷技術已經成為能耗大戶，技術亟需更新換代。在自然界中，一些生物具有特殊的表面結構，通過被動輻射，表現出驚人的熱調節(jié)能力。學習自然，制備特殊的表面結構，實現被動輻射制冷，無疑是大有前景的一項技術。
日前，上海交通大學的周涵教授與范同祥教授團隊與其合作者，發(fā)現長角甲蟲（Neocerambyx Gigas）翅膀絨毛所具有的多級微納結構展現出出色的溫度調節(jié)能力，而后基于光掩膜的新方法，仿生制備出具有類似結構的柔性薄膜，實現被動式輻射降溫，同時這項技術，也實現輻射降溫薄膜的宏量制備。相關工作以“Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling”發(fā)表在《PNAS》。
長角甲蟲前翅絨毛形態(tài)及其熱調控機制
在印尼和泰國的火山地區(qū)生活著一種長角甲蟲，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到 70°C（158°F）。這些長角甲蟲的耐熱及熱調節(jié)能力引起了研究者們極大的關注。
研究者首先觀察了長角甲蟲前翅的微觀結構，發(fā)現前翅表面長滿了絨毛，每平方厘米密度達到25500根以上。前翅的顏色也可以有效的抵御褪色處理，展現出光子晶體的結構色特征。進一步的觀察發(fā)現每根絨毛都是由兩個光滑面與一個粗糙面組成的三角形結構，粗糙面為寬度1 μm，高度為0.18 μm的波紋型結構，與絨毛本身一起構成了多級粗糙結構。
研究者在掌握了前翅表面的微觀結構之后，又研究了其光學性質與溫度調節(jié)能力。首先研究者們，研究了前翅在有無絨毛情況下的反射情況，發(fā)現在絨毛的存在可以將光線反射率提高35 %以上，并且通過乙醇溶液的浸沒實驗，進一步確定了高反射率是得益于表面所存在的多級微觀結構。為了進一步探究機制原理，研究者采用了時域有限差分模擬來研究多級微觀結構在不同入射角下的光學特性。從三角形波紋面一側以小入射角進入的光學會發(fā)生全內反射。同時，當入射光波長相與波紋寬度相似時會產生強烈的Mie散射，從而在所有入射角上均具有較強的反射率。在覆蓋有絨毛的前翅表面吸收率/發(fā)射率達到0.94，這表明甲蟲將身體的熱量很好地散發(fā)到周圍。時間-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，有利于昆蟲在高溫、陽光暴曬的環(huán)境中進行日常覓食活動。
仿生薄膜的制備與表征
基于對長角甲蟲前翅表面結構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構，且實現輻射降溫控制仿生輻射降溫薄膜。
在制備過程中，首先利用光刻法制備具有三角形結構的硅模板，而后將含有有機硅與氧化鋁微球的前驅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構微結構的薄膜。此種方法，可以實現薄膜的大尺度，宏量制備，且具有一定的通用性，可實現氧化鋅、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，研究者對其性能進行了測試，結果顯示其在太陽光譜范圍內的平均反射率約為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。而后又對薄膜的實際制冷能力進行了評估，在平均太陽強度為約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。結果表明，仿生薄膜不僅可以自行冷卻，而且還可以將周圍環(huán)境與膜所覆蓋的設備或熱體的溫度顯著降低。
仿生薄膜不僅可以實現輻射制冷也可同時實現其他功能，例如由于硅橡膠的低表面能結合薄膜微納級別的粗糙表面，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，應予于可穿戴設備，個人電子設備，汽車等器件上，都展現出良好的降溫效果。
小結
研究者通過對長角甲蟲表面微觀結構的研究，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，實現了被動輻射降溫，平均溫度降達到5 ℃以上；同時，這種仿生薄膜的柔韌性和疏水性也為其在各種可穿戴設備，電子設備，及車輛中的應用奠定了基礎。這種被動輻射制冷的熱調控技術無疑更加的節(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的大規(guī)模生產鋪平了道路。
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