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上海交通大学周涵​​、范同祥《PNAS》:薄膜一贴,从此降温不用电! ... ...

2020-7-10 10:56| 发布者: 郭孟月| 查看: 94| 评论: 0|来自: 高分子科学前沿

摘要: 炎炎夏日,在凉爽的空调房吃着冰镇的西瓜无疑是一件十分令人享受的事情。然而无论是凉爽的房间还是冰镇的西瓜,都需要制冷技术的参与。现有的制冷技术大都基于蒸汽压缩制冷,该技术需要一方面需要利用具有潜在环境污 ...
炎炎夏日,在凉爽的空调房吃着冰镇的西瓜无疑是一件十分令人享受的事情。然而无论是凉爽的房间还是冰镇的西瓜,都需要制冷技术的参与。现有的制冷技术大都基于蒸汽压缩制冷,该技术需要一方面需要利用具有潜在环境污染的制冷剂,另一方面也需消耗大量电力。据统计,我国建筑能耗约占全国总能耗的35%,而制冷空调系统的能耗又占建筑能耗的50~60%左右,因此制冷技术已经成为能耗大户,技术亟需更新换代。在自然界中,一些生物具有特殊的表面结构,通过被动辐射,表现出惊人的热调节能力。学习自然,制备特殊的表面结构,实现被动辐射制冷,无疑是大有前景的一项技术。
日前,上海交通大学的周涵教授与范同祥教授团队与其合作者发现长角甲虫(Neocerambyx Gigas)翅膀绒毛所具有的多级微纳结构展现出出色的温度调节能力,而后基于光掩膜的新方法,仿生制备出具有类似结构的柔性薄膜,实现被动式辐射降温,同时这项技术,也实现辐射降温薄膜的宏量制备。相关工作以“Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling”发表在《PNAS》。

长角甲虫前翅绒毛形态及其热调控机制
在印尼和泰国的火山地区生活着一种长角甲虫,它生活的地方夏季气温通常可飙升至 40℃(104℉)以上,地面温度更是可以达到 70°C(158°F)。这些长角甲虫的耐热及热调节能力引起了研究者们极大的关注。

长角甲虫前翅的形态特征。(a)长角甲虫的光学照片;(b-c)长角甲虫前翅的电子显微镜照片;(d)前翅的透射电子显微镜照片;(e)绒毛表面的电子显微镜照片。
研究者首先观察了长角甲虫前翅的微观结构,发现前翅表面长满了绒毛,每平方厘米密度达到25500根以上。前翅的颜色也可以有效的抵御褪色处理,展现出光子晶体的结构色特征。进一步的观察发现每根绒毛都是由两个光滑面与一个粗糙面组成的三角形结构,粗糙面为宽度1 μm,高度为0.18 μm的波纹型结构,与绒毛本身一起构成了多级粗糙结构。

长角甲虫前翅的光学性质与温度调节能力(a)前翅的可见-近红外光谱范围内的反射情况;(b)在不同乙醇情况下,前翅反射率变化情况;(c-d)可见-近红外光从绒毛不同方向进入反射情况;(e)前翅在中红外区吸收与反射光之比随波长变化情况;(f)不同入射角都下绒毛反射率变化情况;(g-h)在真空与空气中前翅在有(红)无(黑)绒毛情况下表面温度变化情况。
研究者在掌握了前翅表面的微观结构之后,又研究了其光学性质与温度调节能力。首先研究者们,研究了前翅在有无绒毛情况下的反射情况,发现在绒毛的存在可以将光线反射率提高35 %以上,并且通过乙醇溶液的浸没实验,进一步确定了高反射率是得益于表面所存在的多级微观结构。为了进一步探究机制原理,研究者采用了时域有限差分模拟来研究多级微观结构在不同入射角下的光学特性。从三角形波纹面一侧以小入射角进入的光学会发生全内反射。同时,当入射光波长相与波纹宽度相似时会产生强烈的Mie散射,从而在所有入射角上均具有较强的反射率。在覆盖有绒毛的前翅表面吸收率/发射率达到0.94,这表明甲虫将身体的热量很好地散发到周围。时间-温度曲线也表明:表面的绒毛存在下,显著的降温作用,在真空与空气中分别能达到3.2 ℃与1.5 ℃的温度降。这种出色温度控制能力,有利于昆虫在高温、阳光暴晒的环境中进行日常觅食活动。
仿生薄膜的制备与表征
基于对长角甲虫前翅表面结构及温度控制能力的研究,研究者们力图仿生制备出具有类似结构,且实现辐射降温控制仿生辐射降温薄膜。

仿生薄膜的制备与形态特征。(a)模板与仿生薄膜的制备过程;(b-c)硅模板与薄膜的扫描电子显微镜照片;(d)仿生薄膜宏观照片;(e)仿生薄膜的降温原理示意图;(f)仿生薄膜的截面扫描电子显微镜照片。
在制备过程中,首先利用光刻法制备具有三角形结构的硅模板,而后将含有有机硅与氧化铝微球的前驱体溶液旋凃于模板表面,热聚合后分离即的到表面为三角形结构微结构的薄膜。此种方法,可以实现薄膜的大尺度,宏量制备,且具有一定的通用性,可实现氧化锌、氧化锆、氧化镁,二氧化钛等多种陶瓷颗粒的掺杂。

仿生薄膜的光学性能及其辐射降温能力。(a)仿生薄膜(黑)与光滑薄膜(红)的辐射效率;(b)TASW中的模拟平均吸收率与发射率之比;(c)辐射散热性能测定装置图;(d)仿生薄膜与空气温度;(e)仿生薄膜产生的温度降;(f-h)在测量过程中的太阳光强(f)、相对湿度(g)、散热功率(h)随时间变化情况。
在得到了仿生薄膜后,研究者对其性能进行了测试,结果显示其在太阳光谱范围内的平均反射率约为95%,并且TASW中的平均发射率> 0.96,与光滑薄膜相比辐射率有了大幅度的提升。而后又对薄膜的实际制冷能力进行了评估,在平均太阳强度为约862 W·m-2,湿度为22.7 %的条件下,仿生薄膜的平均温度降为5.1 °C,最大温度降为7 °C。结果表明,仿生薄膜不仅可以自行冷却,而且还可以将周围环境与膜所覆盖的设备或热体的温度显著降低。
仿生薄膜不仅可以实现辐射制冷也可同时实现其他功能,例如由于硅橡胶的低表面能结合薄膜微纳级别的粗糙表面,薄膜也具有超疏水与自清洁的能力。研究者也将这种仿生辐射制冷薄膜,应予于可穿戴设备,个人电子设备,汽车等器件上,都展现出良好的降温效果。
小结
研究者通过对长角甲虫表面微观结构的研究,探究了其温度控制的原理;而后基于此原理制备了柔性仿生薄膜,实现了被动辐射降温,平均温度降达到5 ℃以上;同时,这种仿生薄膜的柔韧性和疏水性也为其在各种可穿戴设备,电子设备,及车辆中的应用奠定了基础。这种被动辐射制冷的热调控技术无疑更加的节能环保。这一工作也为后续基于高性能光子辐射器的辐射冷却技术的大规模生产铺平了道路。

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