炎炎夏日,在涼爽的空調(diào)房吃著冰鎮(zhèn)的西瓜無疑是一件十分令人享受的事情。然而無論是涼爽的房間還是冰鎮(zhèn)的西瓜,都需要制冷技術(shù)的參與?,F(xiàn)有的制冷技術(shù)大都基于蒸汽壓縮制冷,該技術(shù)需要一方面需要利用具有潛在環(huán)境污染的制冷劑,另一方面也需消耗大量電力。據(jù)統(tǒng)計,我國建筑能耗約占全國總能耗的35%,而制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占建筑能耗的50~60%左右,因此制冷技術(shù)已經(jīng)成為能耗大戶,技術(shù)亟需更新?lián)Q代。在自然界中,一些生物具有特殊的表面結(jié)構(gòu),通過被動輻射,表現(xiàn)出驚人的熱調(diào)節(jié)能力。學(xué)習(xí)自然,制備特殊的表面結(jié)構(gòu),實現(xiàn)被動輻射制冷,無疑是大有前景的一項技術(shù)。
日前,上海交通大學(xué)的周涵教授與范同祥教授團隊與其合作者,發(fā)現(xiàn)長角甲蟲(Neocerambyx Gigas)翅膀絨毛所具有的多級微納結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出出色的溫度調(diào)節(jié)能力,而后基于光掩膜的新方法,仿生制備出具有類似結(jié)構(gòu)的柔性薄膜,實現(xiàn)被動式輻射降溫,同時這項技術(shù),也實現(xiàn)輻射降溫薄膜的宏量制備。相關(guān)工作以“Biologically inspired flexible photonic films for efficient passive radiative cooling”發(fā)表在《PNAS》。
長角甲蟲前翅絨毛形態(tài)及其熱調(diào)控機制
在印尼和泰國的火山地區(qū)生活著一種長角甲蟲,它生活的地方夏季氣溫通??娠j升至 40℃(104℉)以上,地面溫度更是可以達(dá)到 70°C(158°F)。這些長角甲蟲的耐熱及熱調(diào)節(jié)能力引起了研究者們極大的關(guān)注。
研究者首先觀察了長角甲蟲前翅的微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)前翅表面長滿了絨毛,每平方厘米密度達(dá)到25500根以上。前翅的顏色也可以有效的抵御褪色處理,展現(xiàn)出光子晶體的結(jié)構(gòu)色特征。進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)每根絨毛都是由兩個光滑面與一個粗糙面組成的三角形結(jié)構(gòu),粗糙面為寬度1 μm,高度為0.18 μm的波紋型結(jié)構(gòu),與絨毛本身一起構(gòu)成了多級粗糙結(jié)構(gòu)。
研究者在掌握了前翅表面的微觀結(jié)構(gòu)之后,又研究了其光學(xué)性質(zhì)與溫度調(diào)節(jié)能力。首先研究者們,研究了前翅在有無絨毛情況下的反射情況,發(fā)現(xiàn)在絨毛的存在可以將光線反射率提高35 %以上,并且通過乙醇溶液的浸沒實驗,進(jìn)一步確定了高反射率是得益于表面所存在的多級微觀結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步探究機制原理,研究者采用了時域有限差分模擬來研究多級微觀結(jié)構(gòu)在不同入射角下的光學(xué)特性。從三角形波紋面一側(cè)以小入射角進(jìn)入的光學(xué)會發(fā)生全內(nèi)反射。同時,當(dāng)入射光波長相與波紋寬度相似時會產(chǎn)生強烈的Mie散射,從而在所有入射角上均具有較強的反射率。在覆蓋有絨毛的前翅表面吸收率/發(fā)射率達(dá)到0.94,這表明甲蟲將身體的熱量很好地散發(fā)到周圍。時間-溫度曲線也表明:表面的絨毛存在下,顯著的降溫作用,在真空與空氣中分別能達(dá)到3.2 ℃與1.5 ℃的溫度降。這種出色溫度控制能力,有利于昆蟲在高溫、陽光暴曬的環(huán)境中進(jìn)行日常覓食活動。
仿生薄膜的制備與表征
基于對長角甲蟲前翅表面結(jié)構(gòu)及溫度控制能力的研究,研究者們力圖仿生制備出具有類似結(jié)構(gòu),且實現(xiàn)輻射降溫控制仿生輻射降溫薄膜。
在制備過程中,首先利用光刻法制備具有三角形結(jié)構(gòu)的硅模板,而后將含有有機硅與氧化鋁微球的前驅(qū)體溶液旋凃于模板表面,熱聚合后分離即的到表面為三角形結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)的薄膜。此種方法,可以實現(xiàn)薄膜的大尺度,宏量制備,且具有一定的通用性,可實現(xiàn)氧化鋅、氧化鋯、氧化鎂,二氧化鈦等多種陶瓷顆粒的摻雜。
在得到了仿生薄膜后,研究者對其性能進(jìn)行了測試,結(jié)果顯示其在太陽光譜范圍內(nèi)的平均反射率約為95%,并且TASW中的平均發(fā)射率> 0.96,與光滑薄膜相比輻射率有了大幅度的提升。而后又對薄膜的實際制冷能力進(jìn)行了評估,在平均太陽強度為約862 W·m-2,濕度為22.7 %的條件下,仿生薄膜的平均溫度降為5.1 °C,最大溫度降為7 °C。結(jié)果表明,仿生薄膜不僅可以自行冷卻,而且還可以將周圍環(huán)境與膜所覆蓋的設(shè)備或熱體的溫度顯著降低。
仿生薄膜不僅可以實現(xiàn)輻射制冷也可同時實現(xiàn)其他功能,例如由于硅橡膠的低表面能結(jié)合薄膜微納級別的粗糙表面,薄膜也具有超疏水與自清潔的能力。研究者也將這種仿生輻射制冷薄膜,應(yīng)予于可穿戴設(shè)備,個人電子設(shè)備,汽車等器件上,都展現(xiàn)出良好的降溫效果。
小結(jié)
研究者通過對長角甲蟲表面微觀結(jié)構(gòu)的研究,探究了其溫度控制的原理;而后基于此原理制備了柔性仿生薄膜,實現(xiàn)了被動輻射降溫,平均溫度降達(dá)到5 ℃以上;同時,這種仿生薄膜的柔韌性和疏水性也為其在各種可穿戴設(shè)備,電子設(shè)備,及車輛中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這種被動輻射制冷的熱調(diào)控技術(shù)無疑更加的節(jié)能環(huán)保。這一工作也為后續(xù)基于高性能光子輻射器的輻射冷卻技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路。
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