來源|Advanced Functional Materials

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背景介紹

被動輻射冷卻(PRC)材料能夠在零能量輸入的情況下，通過8~13 μm范圍內的大氣透明窗口持續向寒冷的外太空散熱，有利于降低全球能耗，因而在建筑制冷、人體熱量管理、光伏設備制冷、發電和水回收等領域具有廣闊的應用前景。目前，超材料、無機多層結構、納米粒子嵌入結構、多孔聚合物薄膜等均被設計用于PRC領域，并且獲得了高效的PRC效率。為了應對多變的天氣，制冷效率的動態調節顯得尤為重要，但目前僅有少數能夠通過溫度或液體浸潤來實現PRC效率調節的相關報道。然而，這些動態PRC材料的響應性因素在現實環境中具有不可預測性以及不穩定性，且切換速度非常有限。為了滿足實際應用的要求，實現PRC材料冷卻效率的超快和穩定按需控制是極其必要的，但具有挑戰性。

聚合物分散液晶(PDLC)內部呈現多孔結構，通過電場能夠對液晶微滴與聚合物基質間的折射率匹配性進行調節，從而實現薄膜光學性能變化。由于制備簡單且成本低，PDLC在動態光學調節窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應用。實際上，PDLC的聚合物基體在紅外區域具有特殊的化學鍵振動，有望在大氣窗口范圍內產生穩定的紅外熱發射，這在過去的研究中顯然被忽視了，有待于進一步的探索。

中國PDLC薄膜的工作原理示意圖

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成果掠影

近日，北京大學楊槐教授與湘潭大學謝鶴樓教授合作，通過分子設計，在傳統的PDLC基體中引入具有中紅外發射能力的可聚合單體并調控基體的微觀結構，首次提出了一種電控PRC智能窗，在單一薄膜中同時實現了被動輻射冷卻和太陽光調制。

通過給定電壓控制入射太陽光的總量，以毫秒級的響應能力實現了熱量的按需多級管理 。該工作有望為先進光學器件和節能設備的設計提供新的啟示。

相關研究成果以“

Ultrafast Switchable Passive Radiative Cooling SmartWindows with Synergistic Optical Modulation”為題發表于《Advanced Functional Materials》。

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圖文導讀

圖1 a)中國PDLC薄膜的制備工藝示意圖。b)用于制備PRC PDLC薄膜的中紅外發射單體的吸收光譜。c)中華人民共和國PDLC薄膜的橫斷面掃描電鏡圖像

圖2 不同交聯劑含量對PRC PDLC薄膜電光性能和形貌的影響

圖3中國PDLC薄膜的光學性能

圖4 a)交聯劑含量和膜厚度對8-14μm范圍內綜合發射率的影響。b)A3-50μm隨大氣透明窗口的發射率曲線。c)PRC PDLC薄膜A3的吸光度光譜，在大氣透明窗口內顯示出多重化學吸收。鋁箔和PRC PDLC膜分別在d)30°C、e)35°C、f)40°C時的紅外圖像

圖5 在關閉狀態下的被動輻射冷卻性能

圖6 a)PRC PDLC薄膜A3-50 μm和普通玻璃在不同電壓下的記錄溫度參考，實現了按需和多級熱調節。b)PRC PDLC膜A3-50 μm與其他報道的具有動態調制能力的冷卻材料的響應時間和ΔTsol的比較。響應時間表示整個切換過程。c)在10天戶外試驗前后，中國PDLC薄膜A3-50 μm的照片。d)PRC PDLC薄膜經10天戶外試驗后，A3-50 μm的離態太陽透射率和紅外發射率曲線