作者：汤华杰，郭晨玥，樊帆，潘浩丹，徐琪皓，赵东亮*
通信单位：东南大学
DOI：https://doi.org/10.1039/D3EE04261H
辐射热由高温物体向低温物体传递，地球表面物体可以利用外太空（~3 K）作为可持续冷源不断获取冷量。然而，仅有一小部分地表红外辐射（8-13μm）可以穿过大气，而8-13μm波长以外的红外辐射会被大气层吸收并与大气产生净红外辐射热交换。在实际应用中，地表发射体（即冷却对象）一般伴随着间歇性的加热热流，如表面吸收太阳辐射强度的昼夜/季节变化和内部产热装置的周期性启停，其温度会周期性地在高于环境温度和低于环境温度之间切换。地表发射体与大气的净红外辐射热交换可能会对亚环境温度发射体造成加热负效益，但对高于环境温度发射体带来冷却正效益（如图1所示）。传统辐射制冷材料的静态光谱特性（宽谱发射率或大气窗口选择性发射率）仅能实现特定冷却状态下（高温冷却或低温冷却）的性能最优化，难以满足实际应用中的动态冷却需求。
图1. 红外光谱自适应辐射制冷策略。(a)自适应辐射制冷示意图；(b)辐射强度光谱分布；(c)选择性发射体、宽谱发射体和ISRC的辐射热流；(d)理想辐射制冷材料的冷却功率。
论文提出了一种通过调控8~13μm波段以外中红外发射率的自适应辐射制冷策略：当发射体温度高于环境温度时，红外光谱为宽谱模式，向大气辐射热量，产生更大的冷却功率；当发射体温度低于环境温度时，光谱自适应切换到选择性模式，拒绝来自大气的热辐射，实现更大的冷却温降。
图2. 红外光谱自适应辐射制冷材料结构示意图。
论文依据宽谱发射率液体在温敏凝胶中的定向传输，设计了一种双层结构光谱自适应辐射制冷材料（ISRC），由上层SiO2纤维膜和下层聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)温敏凝胶组成（如图2所示）。当ISRC温度低于凝胶相变温度时，下层凝胶处于溶胀状态，上层纤维膜保持干燥状态，此时红外发射率由上层SiO2决定；当其温度高于凝胶相变温度时，下层凝胶发生消溶胀，上层纤维膜被润湿，此时发射率受水分子共振影响转变为宽谱模式。该自适应辐射冷却材料在高温冷却状态下具有0.92的宽谱发射率，在低温冷却状态下具有0.85的选择性发射率（图3）。
图3. 红外光谱自适应辐射制冷材料光谱特性。
为实验验证ISRC在亚环境和高于环境温度条件下的自适应辐射制冷性能，作者通过启闭外部热源模拟实际应用中温度波动的冷却场景，进行室外冷却测试（图4）。在高温冷却实验中，ISRC与选择性辐射冷却材料(即单层SiO2纤维)进行比较，其相对温降为~ 7.9°C，且冷却性能随着外部热流的增大逐渐显著，在加热功率为1.4 W时，最大温降为~12.4℃。在亚环境冷却实验中，ISRC与具有宽谱发射率的商用黑色涂料进行比较，在没有外部加热的情况下，选择性模式下的ISRC具有~4.1°C的最大相对温降。
图4. ISRC自适应辐射制冷性能。辐射制冷性能测试装置实物图(a)及示意图(b)；高温冷却实验结果(c)及天气数据(d)；低温冷却实验结果(e)和天气数据(f)。
作者简介
赵东亮 东南大学青年首席教授，入选国家青年高层次人才，东南大学碳中和科学技术研究院副院长，东南大学长三角碳中和战略发展研究院副院长，研究方向为新型制冷技术、热辐射调控等，并通过聚焦建筑、人体等领域开展材料-器件-系统层面的学科交叉前沿研究，旨在推动取得突破性进展。自2019年回国入职东南大学能源与环境学院以来，以第一或通讯作者在Science、Science Advances、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际权威期刊发表论文40余篇。论文总引用7400余次，h指数32。连续入选斯坦福大学发布的2022-2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。曾荣获2021年度“东南大学青年五四奖章”。
汤华杰 东南大学能源与环境学院博士研究生，研究方向为天空辐射制冷、微纳尺度传热传质，在Science、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Nano Energy等国际期刊发表SCI论文15篇。
