【文章简介】

现有彩色辐射制冷材料因静态光学特性难以适应天气变化，尤其在湿度升高时制冷能力显著下降。当前研究多聚焦温度响应，湿度自适应材料仍属空白。针对此，南京大学唐少春教授团队从变色龙肤色对环境自适应特性获得启发，提出湿度驱动的双波段调控策略，并通过设计材料组成和结构优化，研制出一种对环境湿度自适应的彩色辐射制冷薄膜。该薄膜实现了太阳光和中红外波段的动态环境湿度响应的双波段光谱调节，在25%-90%湿度范围内自适应提升制冷效率。该成果以题为“Bioinspired Colored Films with Humidity-Induced Dynamic Reflectivity and Emissivity for Self-Adaptive Efficient Radiative Cooling”在线发表在国际知名期刊ACS Nano上（ACS Nano, 2025, DOI: 10.1021/acsnano.5c09133）。南京大学为唯一通讯单位，南京大学现代工程与应用科学学院直博生何佳骏为该论文的第一作者，唐少春教授为该论文的通讯作者。

【研究背景】

以空气压缩为代表的传统制冷技术需要消耗大量电能，且不适用于户外场景。为显著降低传统制冷方式的能耗，开发高效节能、简易快捷、环境友好的新型制冷技术尤为迫切。辐射制冷是一种零能耗的被动降温技术，能够在不需要外界能量输入的情况下，夜间甚至日间降温。其工作原理是通过反射0.3-2.5 μm波段的太阳光以减少热量吸收，同时材料自发地将热量以红外线的形式通过8-13 μm “透明大气窗口”朝逼近绝对零度的外太空传递，实现低于环境温度的效果。

已报道的辐射制冷材料，外观往往呈现出亮白色或银色，单调的银白色容易造成眩光效应，产生光污染。彩色辐射制冷器的出现有效缓解了上述问题，然而，传统的彩色辐射制冷器在太阳光波段处具有较高的吸收率，其辐射降温性能受限于其自身的光学特性。在面对高湿度环境时，彩色辐射制冷器的实际降温性能显著下降，甚至失效。有研究通过引入相变材料、Janus结构等来改善辐射制冷器的适候性，但复杂的材料设计、耐久性等问题限制了此类材料的大规模应用。

针对以上难题，团队从变色龙肤色对环境自适应特性获启发，提出在太阳光波段和中红外波段对动态环境湿度响应的双光谱调控策略，研制出一种具有对环境湿度自适应特性的彩色辐射制冷薄膜。低湿度环境下，该薄膜在太阳光波段具有低吸收特性，能够实现优异的彩色辐射降温性能；随着环境湿度的增加，薄膜表现出动态增强的太阳反射率（从89%升至93%）和超高红外发射率（~99%），制冷功率提升180%。尤其是，薄膜能够在复杂的湿度环境下自适应可逆调控。本研究验证的湿度驱动双波段调控新策略，为湿度自适应辐射制冷器的开发提供了新思路。

【本文要点】

图1: （a）不同环境湿度下大气透明窗口的透过率。（b）不同环境湿度下传统彩色辐射制冷器的工作示意图。（c）仿生彩色辐射制冷薄膜的工作原理。（d）低湿度环境下薄膜的实拍图。（e）高湿度环境下薄膜的实拍图。（f）吸湿前后薄膜的CIE色度坐标。

如图1a所示，随着环境相对湿度的增加，大气透明窗口的透过率逐渐下降。模拟结果表明，当环境相对湿度从10%增加至70%时，大气透明窗口的平均透过率下降50%。高湿度极大地削弱传统彩色辐射制冷器的制冷功率（图1b）。如图1c所示，受变色龙肤色对环境自适应启发，团队设计并研发出一种具有湿度自适应特性的彩色降温薄膜，其太阳反射率和红外发射率能够随着环境湿度的动态变化而变化，从而确保在复杂多变的湿度环境下能够始终保持高效、稳定的降温性能。图1d和1e为该薄膜在不同湿度环境下的实拍图，随着湿度的增加，薄膜的外观由彩色转变为白色，其太阳反射率得到明显的提升。图1f揭示了其在不同湿度环境下的色度坐标变化，反映出环境湿度对太阳反射率的调控作用。

图2: （a）薄膜的SEM图。（b）薄膜的EDS能谱图。（c）薄膜内部的纤维直径统计分布。（d）FDTD散射效率模拟计算。（e）傅里叶变换红外光谱透过率曲线。（f）XRD图谱。（g）薄膜的XPS全谱。（h）薄膜中Cl元素的XPS图谱。（i）热重分析曲线。

仿生薄膜采用静电纺丝工艺加工制备而成，包括上下两层。顶层材料为掺杂钴基功能络合物的P(VdF-HFP)。图2a-c为薄膜顶层表征，钴、氯元素均匀分布于P(VdF-HFP)纤维中，表明钴基络合物均匀掺杂到基体纤维中。薄膜的底层为纯P(VdF-HFP)纤维，其纤维直径分布（0.1-0.7 μm），比顶层纤维（直径分布0.1-0.5 μm）更宽。根据散射效率模拟（图2d），这种梯度直径分布设计能够在更宽的太阳光波段内实现高效Mie散射，从而提高薄膜在太阳光波段处的反射率。图2e为薄膜吸湿前后的傅里叶变换红外光谱透过率曲线，吸湿前后薄膜的羟基特征吸收峰（3390 cm-1处）发生了明显变化，同时傅里叶变换红外光谱和XRD图谱（图2f）也证明钴基络合物的掺杂。图2g-h为XPS谱图，薄膜中Cl元素结合能的偏移（199.8 eV到 197.9 eV）证明钴元素与乙醇胺的成功配位。热重曲线（图2i）表明，薄膜在100 ℃温度内组分稳定，这确保其在实际应用过程中组分稳定，不会发生分解。

图3: （a）钴基络合物溶液在可见光波段的吸收曲线。（b）薄膜在吸湿过程中太阳反射率的变化趋势。（c）P（VdF-HFP）基体和钴基络合物分子结构示意图。（d）薄膜和对比样的太阳反射率和红外发射率曲线。（e）薄膜的平均太阳反射率和红外发射率性能对比。

为探究环境湿度对仿生薄膜太阳反射率的影响，团队对钴基络合物的光谱特性进行分析。如图3a所示，当钴基络合物被分散在乙醇中时，溶液颜色为蓝色；随着水的持续滴加，溶液颜色开始褪去，最终呈现无色。紫外-可见-近红外光谱曲线显示，钴基络合物的乙醇溶液在600-700 nm有明显的吸收峰，加水后吸收峰消失，这是由于水能够与钴基络合物形成新的配位结构。图3b为仿生薄膜在吸湿过程中太阳反射率的变化情况：当薄膜暴露在高湿度环境下时，其太阳反射率逐渐提高，尤其在600-700 nm波段。在相对低湿度时（RH=25%）薄膜的平均太阳反射率为~89%；在高湿度环境下（RH=60%）达到~93%，且这一过程是完全自发、可逆的。如图3c，由于P(VdF-HFP)的高发射特性，且钴基络合物中含有丰富的化学键如N-H、C-O等，薄膜在低相对湿度时（RH=25%）的平均发射率高达~98%，吸湿后可实现超高红外发射率（~99%）。与传统织物相比，薄膜表现出优异的光学性能（图3d）。图3e为仿生薄膜的平均太阳反射率和红外发射率对比，证明其相较于传统的彩色辐射制冷器也具有更加优异的光学性能。

图4: （a）户外降温实验的装置示意图和实拍图。（b-c）在晴天时户外降温实验的温度、湿度、太阳辐射数据。（d-e）在多云天气时户外降温实验的温度、湿度、太阳辐射数据。（f）在夜间户外降温实验的温度、湿度数据。（e）在不同环境湿度下薄膜的平均降温数值。

如图4a所示，团队对仿生薄膜在不同天气、不同环境湿度下的服役性能进行研究。图4b-c为晴天的测试结果：当环境相对湿度为34%、太阳辐射强度1222 W/m2时，薄膜仍能够实现低于环境温度~4.7 ℃的降温效果。相比商用白色、彩色棉布，薄膜分别有效降低了~6.4 ℃和~7.8 ℃。图4d-e为在多云天气下的测试结果：当环境相对湿度为63%、太阳辐射强度为1245 W/m2时，薄膜能够实现低于环境温度~5.8 ℃的降温效果，且在高湿度环境下表现出动态增强的降温性能。图4f-g为夜间户外测试结果：与传统商用棉布相比，薄膜能够实现更高的降温幅度。尤其是，由于高湿度下拥有超高红外发射特性，薄膜在高湿度范围内（RH=60-90%）均能实现高效的辐射降温性能，甚至当环境湿度为89%时，仍能实现低于环境温度~4.5 ℃的降温。

图5: （a）薄膜用作人体降温织物时的实拍图和热成像图。（b）薄膜用作遮阳布料时的实拍图和热成像图。（c-d）户外遮阳降温实验的温度、湿度、太阳辐射数据。（e）南京的年度能源节约量和节能比例。（f）南京在不同月份的能源节约量。（g）各地城市的年度能源节约量。

如图5a所示，仿生薄膜作为织物用于人体热管理，且针对汗液诱发地局部湿度变化能够发生双波段光谱响应，与商用彩色棉布对比薄膜表面的温度更低。特别是，当局部出汗时，仿生薄膜增加了~5.7 ℃的降温效果，这一特性有望开发成为新一代湿度响应型智能热管理织物。此外，薄膜具有彩色特性，能有效避免眩光效应和减少光污染，可作为遮阳应用。如图5b-d所示，相比于传统的商用遮阳网，该薄膜实现了高达~8.3 ℃的降温效果。通过Energy Plus软件计算，该仿生薄膜用于建筑遮阳降温时能够带来显著的节能效益。以南京市为例（图5e-f），应用该薄膜后全市全年能够节约~0.176 GJ的电能，实现~11.2%的节约用电量。当推广应用到其它地区时（图5g），该仿生薄膜能够为兰州市、广州市全年分别节约能源消耗达到~22.8%和~11.7%。

【总结与展望】

受变色龙环境自适应特性的启发，团队成功开发出一种湿度敏感彩色薄膜，其通过湿度敏感的钴基络合物实现太阳光和中红外波段的动态双波段光谱调节，在25%-90%湿度范围内自适应提升制冷效率。高湿度环境下其太阳能反射率从89%升至93%，中红外发射率达~99%，制冷功率提高了180%，且无需外部能源整个响应过程完全自发可逆调控。这种湿度驱动的双波段调控策略，确保了彩色辐射降温薄膜能够适应复杂的湿度环境，使其在高低不同的湿度环境下均表现出优异的降温性能。该研究提出的湿度驱动的双波段调控策略，能够扩展应用至其它辐射制冷材料，为新一代湿度自适应辐射制冷器的开发提供了新思路。

【论文信息】

Jiajun He, Yu Chen, Rui Guo, Shaochun Tang*. Bioinspired Colored Films with Humidity-Induced Dynamic Reflectivity and Emissivity for Self-Adaptive Efficient Radiative Cooling. ACS Nano, 2025, DOI: 10.1021/acsnano.5c09133.

【论文链接】

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c09133