正值“三伏天”，炎炎烈日下，相較于其他顏色，身著一襲白衣視覺上、體感上會讓我們清涼幾分。從光學(xué)角度來講，這是因為白色只反射而不吸收太陽光，而諸如藍色或黑色等其他顏色，則會在吸收其互補波段光的同時產(chǎn)生熱量。
為了減緩這種熱效應(yīng)，近日，來自深圳大學(xué)的研究團隊受蝴蝶翼翅中微納結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研制出一款具有被動式制冷功能的艷色納米薄膜。這種新型薄膜工作在可見光波段，但卻不會吸收日光，因此能夠用在建筑、交通等領(lǐng)域相關(guān)設(shè)施外部，在保留鮮艷色彩的同時，降低物體制冷所需能耗。（DOI: 10.1364/OPTICA.487561）
“在建筑物中，制冷和通風(fēng)對能源的消耗巨大，在電動汽車中運行空調(diào)甚至?xí)估m(xù)航里程減少一半以上，”該研究團隊的負責(zé)人汪萬林介紹道?！霸诖嘶A(chǔ)上，我們的制冷薄膜能夠?qū)Πl(fā)展可持續(xù)性能源以及碳中和提供很大的幫助?！?/span>
在這項工作中，研究人員展示了它們所研發(fā)的新型制冷薄膜能將彩色物體的溫度降低至比環(huán)境溫度低大約2℃。此外他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在室外進行整天測試時，藍色型號的薄膜要比傳統(tǒng)的藍色車漆低26℃左右，這意味著每年可節(jié)省大約1377MJ/m2能源。
“有了這種新薄膜，無論想要什么顏色，它們的飽和度和亮度如何，都能實現(xiàn)出色的制冷功效，”汪萬林補充道。“它們甚至可以與紡織工藝相結(jié)合，制作出顏色豐富、在高溫下保持舒爽透氣的衣物?！?/span>
圖1 藍閃蝶翼翅的結(jié)構(gòu)色啟發(fā)彩色制冷薄膜通常情況下，一臺噴有藍色車漆的轎車在日光照射下會呈現(xiàn)藍色，這種現(xiàn)象其實代表了我們平時生活中的一種最常用的著色方式，即色素著色。然而，這種傳統(tǒng)著色方式會因吸收光而產(chǎn)生大量的熱，從而使車內(nèi)溫度升高。這時，自然界中一種名為“藍閃蝶”的生物進入了研究人員的視野。與傳統(tǒng)涂料不同，它們可以通過自身翅膀中的微納結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生具有高飽和度的藍色，這種由生物亞顯微結(jié)構(gòu)與光相互作用所帶來的光學(xué)效果也被稱為結(jié)構(gòu)色。與色素著色相比，結(jié)構(gòu)色不易褪色，而且環(huán)保、顏色飽和度高，因此在顯示、裝飾和防偽等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。正是在此基礎(chǔ)上，研究人員通過仿生藍閃蝶翅中的微納結(jié)構(gòu)，最終制備出了一種在不吸收光的情況下、就能產(chǎn)生艷麗色彩的“被動式制冷納米薄膜”。
為構(gòu)造出這樣一種“藍閃蝶翅”式的納米薄膜，研究人員首先將二氧化鈦和二氧化鋁薄膜交替堆疊，制備出一個多層膜，并將其放置在粗糙的磨砂玻璃（一種無序材料）上；隨后，研究人員又將一層銀膜襯于玻璃底部，用來反射全波段的可見光，以此避免吸收太陽輻射所帶來的熱效應(yīng)，從而實現(xiàn)被動式制冷功能。此外，薄膜的顏色可通過調(diào)整其結(jié)構(gòu)中各部分對光的反射情況來進行操控。例如，要想使薄膜呈現(xiàn)藍色，就需要對多層膜部分的各膜層厚度來進行設(shè)計，以使其在一個極窄的角度范圍內(nèi)反射黃光，同時使無序結(jié)構(gòu)層在一個較寬的范圍內(nèi)散射藍光。值得一提的是，盡管之前已有相關(guān)工作實現(xiàn)了這種類型的被動式光子熱管理，但它們都只能用于白色或透明物體。這主要是因為它們很難在一個寬視角范圍內(nèi)保持較高的顏色飽和度，從而在一定程度上限制了它們應(yīng)用的廣泛性。
