在全球极端高温天气日益频繁的背景下，传统的主动冷却系统不仅能耗高，还会加剧温室气体排放，形成恶性循环。被动辐射冷却技术因其零能耗的冷却潜力而备受关注，然而，现有高性能辐射冷却材料多为白色，美观性不足，且难以同时实现高冷却效率、机械鲁棒性与丰富的色彩表达。如何开发出兼具美学吸引力与高效热管理性能的彩色辐射冷却材料，已成为该领域走向实际应用的关键挑战。
近日，四川大学王玉忠院士、宋飞教授团队提出了一种基于尺寸排阻辅助选择性渗透策略的新型结构彩色日间辐射冷却（SCDRC）片材。该材料通过将低太阳吸收、高红外发射的聚合物渗透到预组装的胶体晶体模板中，形成有序的逆蛋白石结构上层；同时，将微米级氮化硼片选择性地排阻在外，形成高反射的随机堆叠微结构下层。这种无缝界面的双层结构实现了>96%的太阳光反射率和>94%的中红外发射率，在户外环境下可实现低于环境温度7℃的冷却效果，并在中国多个气候区平均降低约20.7%的冷却能耗。该光子结构在长期湿热环境下表现出优异的稳定性，为开发美观、耐久、高效的彩色冷却材料提供了新平台。相关论文以“Photonic Inverse Opal-Enabled Seamless Interface of Bilayer Structure for Color Regulation and Robust Passive Radiative Cooling”为题，发表在
Advanced Materials上。
研究团队首先制备了单分散SiO₂纳米球模板，通过调节其直径在200至300纳米范围内，获得了覆盖可见光谱的结构色（图1c）。随后，他们将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与六方氮化硼（h-BN）片混合溶液浇注在模板上。PMMA能渗透至模板间隙，而较大的h-BN片则被排阻在外层。溶剂挥发后，蚀刻去除SiO₂模板，形成具有无缝界面的双层结构（图1e）。所得SCDRC片材不仅呈现鲜艳的结构色（图1f），其多孔逆蛋白石骨架与随机堆叠的h-BN片共同增强了太阳光散射能力。
图1 | SCDRC薄膜的设计、制备与表征 （a）SCDRC薄膜制备流程示意图。（b）二氧化硅光子晶体模板表面SEM图像。（c）展示不同结构色的二氧化硅模板实物照片。（d）SHDP薄膜表面SEM图像。（e）SCDRC薄膜截面SEM图像及EDS元素分布图。（f）不同结构色的SCDRC薄膜实物照片。
为探究h-BN片的光学行为，团队进行了时域有限差分模拟（图2）。结果表明，h-BN片的厚度对其散射效率影响显著，厚度为0.05微米时散射性能最优。模拟与实验均证实，加入直径为0.8微米的h-BN片能显著提升复合材料在太阳光谱范围内的反射率（图2d-e）。当h-BN体积分数为25%、片材厚度为1.2毫米时，材料在保持机械完整性的同时实现了约94.74%的太阳光反射率。
图2 | 氮化硼的光学性质与太阳反射增强 （a）不同直径、固定厚度（0.05μm）的单层氮化硼片层散射效率模拟。（b）直径0.8μm、三种不同厚度氮化硼片层在波长0.5μm处的远场散射相函数与近场电场分布。（c）PMMA/氮化硼复合材料内部多重散射行为示意图。（d）不同直径氮化硼片层在5μm厚度模型中的模拟反射光谱。（e）实验测得的含不同直径氮化硼的PMMA复合材料光谱反射率与发射率。
通过对比纯PMMA、具有逆蛋白石结构的着色PMMA（PMMAIOs）、h-BN填充PMMA（PMMAh-BN）及SCDRC片材的光学性能（图3），研究发现SCDRC片材在可见至近红外波段反射率显著提升，这归功于逆蛋白石结构的布拉格反射与h-BN散射的协同效应（图3b-d）。此外，SCDRC片材在大气透明窗口（8-13微米）表现出高于94%的红外发射率，这源于PMMA中C-O-C键和h-BN中B-N键的分子振动（图3f）。
图3 | SCDRC薄膜的光谱特性 （a）四种样品的截面SEM图像。（b）基于FDTD模拟的反射光谱。（c）实验测得的反射光谱与发射率（AM 1.5光照下，有效厚度约1.2mm）。（d）PMMA、结构色PMMA、氮化硼填充PMMA及SCDRC薄膜界面光相互作用示意图。（e）绿色、青色、蓝色及白色SCDRC薄膜实物照片。（f）对应样品的反射率与发射率光谱。
在实际户外测试中（图4），SCDRC片材在平均太阳辐照度约531 W/m²的条件下，相比环境温度实现了平均5.28℃的降温，夜间仍保持约2.3℃的冷却效果（图4b）。与商业屋顶材料相比，SCDRC片材在晴雨天气下均表现出持续且显著的冷却优势（图4e-f）。在模拟建筑模型测试中，覆盖SCDRC片材的小屋室内温度比未覆盖及覆盖商用红瓦屋顶的小屋分别低约4.66℃和5.65℃（图4h）。能耗模拟进一步显示，使用SCDRC片材作为屋顶外层，在中国各地年平均可降低约20.7%的制冷能耗，在热带与亚热带地区效果尤为突出（图4i-j）。
图4 | 日间辐射冷却性能与应用评估 （a）亚环境辐射冷却测试装置实物照片（上）与示意图（下）。（b）2024年7月30日记录的实时温度曲线、太阳辐照度、相对湿度及环境空气、PMMA/氮化硼覆盖与SCDRC薄膜覆盖腔体的亚环境温差。（c）PMMA/氮化硼与SCDRC薄膜光学性能与冷却性能对比。（d）SCDRC薄膜与文献中代表性彩色辐射冷却材料的太阳反射率与中红外发射率对比。（e）SCDRC薄膜、商用红色屋顶材料与PMMA/氮化硼薄膜实物照片。（f）2024年10月23–24日晴天条件下使用不同覆盖材料时腔体与环境空气的实时温度变化。（g）三种建筑模型示意图：商用红屋顶（左）、无覆盖（中）、SCDRC薄膜覆盖（右）。（h）2024年10月22日阳光直射下三种模型室内温度监测。（i）SCDRC薄膜在中国不同地区预计的年均节能潜力。（j）中国不同地区建筑模型在使用与未使用SCDRC薄膜屋顶时的年冷却能耗对比。
该研究还验证了SCDRC片材的环境耐久性，其在长期水浸、紫外照射后仍能保持稳定的光学性能与结构完整性，显示出良好的户外应用潜力。
综上所述，这项研究通过创新的尺寸排阻辅助自组装策略，成功制备出兼具可调结构色与高效辐射冷却性能的双层片材。该材料不仅实现了>96%的太阳反射率和>94%的红外发射率，在实际户外测试中展现出最高低于环境7℃的冷却能力，并具有优异的耐候性与机械稳定性。此项工作为开发界面无缝、美观高效且可规模化生产的彩色辐射冷却材料提供了新范式，在绿色建筑、工业设备等领域具有广阔的应用前景，有望推动下一代节能材料的发展。
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