第一作者：Duo Li, Xin Liu, Wei Li.
通訊作者：朱嘉、朱斌
通訊單位：南京大學
傳統的冷卻系統產生巨大的能耗，極大地加劇了溫室效應。被動輻射冷卻技術將物體的熱量通過大氣透明窗（8–13 μm）散發到外層空間，沒有任何能量消耗，近年來引起了廣泛關注。
輻射冷卻的獨特之處在于大氣透明窗口中的高發射率，可通過該窗口將熱量散發到宇宙中。因此，為了實現高冷卻性能，選擇性發射器的設計和制造至關重要，其中發射在透明窗口中占主導地位，合適的光譜選擇可抑制周圍熱輻射的寄生吸收。最近，科研人員已對具有定制光譜響應的各種材料和結構進行了研究，以實現白天輻射冷卻的效果。然而，大多數報道的輻射冷卻材料具有覆蓋整個中紅外波長的寬帶吸收/發射，不具有選擇性。
由于中紅外區的發射通常與分子鍵合相關，因此與復雜的自上而下制造相比，具有適當化學鍵合的分子級設計提供了更方便和可擴展的途徑，以實現窄帶和選擇性吸收/發射用于輻射冷卻的中紅外區域。
有鑒于此，南京大學朱嘉、朱斌等人報道了一種分級設計的聚合物納米纖維薄膜，能夠實現選擇性中紅外發射、有效的陽光反射，具有出色的全天輻射冷卻性能。
圖1. 設計原理
要點1. 原理
研究表明，在所有的聚合物薄膜中，僅具有C–C，C–O和C–H鍵的聚環氧乙烷（PEO）具有理想的選擇性吸收帶，并與大氣透明窗口重疊（8– 13μm）。C-O-C鍵合(1260-1110 cm?1)和C-OH鍵合(1239 - 1030 cm?1)在8-13 μm波長范圍內的選擇性發射率為78%，在0.3-2.5 μm波長范圍內，控制直徑的納米纖維的反射率為96.3%。
要點2. 性能
結果顯示，與夜間的非選擇性發射器相比，該選擇性熱發射器的冷卻性能提高了約3°C；即便在日光照射下，溫度也降低了5°C。
圖2. es-PEO結構
圖3. es-PEO薄膜冷卻效果
要點3. 適合規模化的制造工藝
從以上數據可知，除了需要在在大氣透明窗口（8–13μm）中選擇性發射熱量外，還需要對太陽光譜（0.3–2.5μm）進行強反射，以實現高性能的全天輻射冷卻。
但是，通過滴鑄法制備的典型PEO膜在視覺上是透明的，無法滿足對高陽光反射率的需求。而直徑與太陽光譜波長相當的納米纖維可以用作有效的散射體，以實現強烈的太陽反射。
于是，研究人員基于可擴展的靜電紡絲工藝生產，開發了一種改進的卷對卷靜電紡絲方法，合成了由無規納米纖維組成的分層設計的PEO薄膜，用于白天的輻射冷卻器。
這種靜電紡制的PEO（es-PEO）薄膜，長幾米，寬四分之一米，厚500μm。它的白色表示可見光的強烈散射，這主要得益于直徑大小分布較廣的無規則堆疊納米纖維的多層結構。
圖4. 冷卻效果模擬
小結
這種分層設計的選擇性熱輻射器對減輕地球變暖和調節類地球行星溫度的影響，并顯示出顯著的優勢。憑借其出色的冷卻性能和可擴展的工藝，這種分層設計的選擇性熱輻射器為通向全天候輻射冷卻材料的大規模應用開辟了一條新途徑。
參考文獻：
Li, D., Liu, X., Li, W. et al. Scalable and hierarchically designed polymer film as a selective thermal emitter for high-performance all-day radiative cooling. Nat. Nanotechnol. (2020).
DOI：10.1038/s41565-020-00800-4
https://doi.org/10.1038/s41565-020-00800-4
