Advanced Science 金字塔纹理光子膜高效辐射制冷新突破：微金字塔+h-BNNs带来亚环境冷却
近日，南方科技大学电子与电气工程系罗丹教授团队与深港微电子学院林苑菁教授团队、曾玉强教授团队，通过优化微金字塔表面结构和高折射率二维六方氮化硼纳米片（h-BNNs）散射填料，开发出了一种新型金字塔纹理光子膜（PTPFs），该材料通过特殊的表面结构和高折射率填料实现了卓越的太阳反射和中红外辐射性能，为辐射冷却技术的发展开辟了新的道路。研究结果表明，这种光子膜在太阳辐照下展现出高达98.5%的太阳反射率和97.2%的中红外辐射率，有效降低了物体表面温度，实现了显著的亚环境冷却效果。研究成果以“Pyramid Textured Photonic Films with High-Refractive Index Fillers for Efficient Radiative Cooling”为题发表在《 Advanced Science》。
研究背景：
随着全球变暖的趋势加剧和能源消耗的增加，高效制冷技术成为了亟待解决的关键问题。传统的主动冷却系统面临着效率低下、能耗过大且产生大量温室气体和碳排放的挑战。因此，开发无需外部电源、环境友好的被动制冷技术显得尤为重要。辐射制冷技术作为一种有前景的被动制冷方式，通过反射太阳光并在特定波长范围内向冷外太空辐射热能，从而实现有效制冷。然而，对于通信基站和数据中心等高热源场景，实现高效辐射制冷仍然是一个巨大挑战。
研究亮点：
亮点一：
金字塔纹理与二维氮化硼纳米片的协同优化通过优化金字塔纹理表面结构和引入高折射率二维氮化硼纳米片（h-BNNs）作为散射填料，成功制备了具有高太阳反射率（98.5%）和中红外发射率（97.2%）的金字塔纹理光子薄膜（PTPFs）。这种协同优化策略不仅增强了光子选择性，还提高了热传导性能。PTPFs的通过平面热导率和面内热导率分别达到了0.496 W m-1K-1和3.175 W m-1K-1，显著高于大多数已报道的聚合物薄膜。
亮点二：
高效辐射制冷性能及实际应用潜力PTPFs在40°C环境温度下，太阳辐照度为900 W m-²时，实现了高达201.2 W m-²的有效辐射制冷功率。在全天温度变化范围内（22-43°C），实现了8-11°C的低于环境温度的制冷效果。此外，即使在内部有10W陶瓷加热器加热和外部500 W m-²太阳辐照的情况下，PTPFs仍能实现5°C的低于环境温度的制冷效果。这一研究展示了其在通信基站、数据中心等高热源场景中的巨大应用潜力。
图1：带有高折射率填料的 PTPF 示意图
图2：光子薄膜的制备与结构表征
图3：微金字塔阵列表面结构调制的光学特性和辐射冷却性能
图4：PTPF辐射冷却的示意图
总结：
技术创新与性能突破金字塔纹理光子膜（PTPFs）通过创新的结构设计和高折射率填料的应用，实现了在太阳辐照下的高效散热性能，这一技术突破为辐射冷却技术的发展提供了新的可能性。高效散热性能:金字塔纹理光子膜（PTPFs）在太阳辐照下展现出了98.5%的高太阳反射率和97.2%的高中红外辐射率。这种高效的散热性能使得材料在40°C的条件下，即使在900 W/m²的太阳辐照下，也能达到201.2 W/m²的优化有效辐射冷却功率。显著的亚环境冷却效果:在实际应用测试中，PTPFs在全天演示中实现了8-11°C的亚环境冷却效果。即使在10W陶瓷加热器和500 W/m²外部太阳辐照的条件下，PTPFs仍能实现5°C的亚环境冷却。这一成果证明了该材料在处理内部热源时的高效散热能力，为建筑冷却和能源节约提供了有效的解决方案。
广泛的应用前景PTPFs的可扩展制造策略和自清洁能力使其成为智能窗帘和建筑规模应用的理想选择。这种材料不仅在理论上提供了辐射冷却技术的新思路，而且在实际应用中也显示出巨大的潜力，有望为建筑冷却和能源节约提供有效的解决方案，推动环保被动冷却技术的发展和应用。