熱管理在全球能源消耗中占據相當大的比例。傳統的室內熱管理往往通過空調實現，需耗費大量的能源，預計在2023年，全球年空調能源將消耗數千億美元。這一數字將隨著不斷增加的大型數據中心冷卻需求而進一步攀升。因此，迫切需要采用最小能源投入的可再生制冷技術。

輻射制冷技術因其可將熱輻射發射到外太空的獨特能力而備受矚目，透過此技術可使物體冷卻而無需提供外部能源。理想的輻射制冷器應在地球大氣透明窗口內具有高發射率，并且還應強烈反射太陽輻射，以防止其被陽光加熱。因此，能夠在大范圍內靈活準確地操縱光譜是實現高冷卻性能的關鍵，但仍然具有很大的挑戰性。

輻射制冷效應已在三種不同類型的材料和結構設計中展示：聚合物、多層薄膜和超材料。其中，聚合物薄膜展現出低太陽吸收率、在大氣透明窗口內相對較高的發射率、低成本和可擴展性等優勢，非常有望用于實際應用。然而，僅基于固有材料吸收特性而沒有結構設計，其實現所需的寬帶寬且高紅外發射率和太陽反射率能力受到明顯限制。盡管嵌入隨機分布的粒子可以改善光譜可控性，但實現精確控制的光譜仍然具有挑戰性。相比之下，基于周期結構的超材料已經展示出卓越的晝夜輻射制冷的光譜操縱能力。然而，超材料輻射制冷器通常是基于厚度較大的剛性襯底，無法與任意形狀的物體集成。而且，由于大面積周期性微/納結構的制造充滿挑戰，它們往往僅限于小面積，因此不適用于實際應用。

最近，在eLight期刊上發表的一篇論文“Highly efficient flexible structured metasurface by roll-to-roll printing for diurnal radiative cooling”介紹了一項由澳大利亞工程院院士、澳大利亞皇家墨爾本理工大學賈寶華教授領導的科學家團隊開發的新技術。

這一新穎的技術是基于超表面概念，通過在聚合物薄膜的薄層上排列三維溝槽狀結構（如圖1左圖）來精確的調制光譜以實現高效率輻射制冷。為了能夠大量生產這種聚合物超表面輻射制冷薄膜，該團隊開發了卷對卷聚合物薄膜納米壓印制備方法來大規模生產所設計的聚合物超表面制冷薄膜（如圖1右圖) 。

圖1：左圖、周期性溝槽狀超表面結構。右圖、大面積聚合物超表面制冷薄膜。
圖源： eLight

這種50微米厚的聚合物超表面輻射制冷（PMRC）薄膜幾乎反射所有入射的陽光，同時，可強烈地在大氣透明窗口中發射熱輻射，故此薄膜表現了出色的全天候冷卻性能，并通過超表面結構實現了超高的輻射制冷功率（高達140 W/m2），明顯高于目前同類輻射制冷膜。此外，該薄膜可以輕松地集成到各種設備中，例如水箱、COVID防護服（如圖2左圖）和汽車遮陽罩（如圖2右圖），實現出色的冷卻性能。

圖2：左圖、PMRC薄膜集成到COVID防護服。右圖、PMRC薄膜集成到汽車遮陽罩及其溫度分布熱像圖。
圖源： eLight

這種大規模卷對卷制造的PMRC薄膜具有成本效益，并且可以輕松附著在任何物體上，實現廣泛的冷卻應用，滿足嚴格的冷卻需求而無需能源消耗。PMRC薄膜具有全方位的吸收和發射能力，同時提供優越的冷卻性能。它還具有可擴展性和良好的穩定性，在熱管理領域有著廣泛的實際應用前景。在可預見的未來，該PMRC可以進一步應用于移動基站，數據中心，電池箱以及冷柜車的制冷，來節省制冷能源損耗，貢獻到節能減排中。

▍論文信息

Lin, K., Nian, X., Li, K. et al. Highly efficient flexible structured metasurface by roll-to-roll printing for diurnal radiative cooling. eLight 3, 22 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00053-3

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