受蝴蝶启发的薄膜在被动冷却物体的同时创造出鲜艳的色彩

在炎热的夏日，白色衣服比其他颜色的衣服感觉凉爽，因为它反射而不是吸收阳光。其他颜色(例如蓝色或黑色)在吸收光时会产生加热效应。为了避免彩色冷却膜中的这种加热效应，研究人员从蝴蝶翅膀的纳米结构中汲取了灵感。

这种新型薄膜不吸收任何光线，可用于建筑物、车辆和设备的外部，以减少冷却所需的能源，同时保持鲜艳的色彩特性。

中国深圳大学研究小组组长王国平表示：“在建筑物中，大量能源用于冷却和通风，电动汽车运行空调会使行驶里程减少一半以上。” “我们的冷却膜可以帮助促进能源可持续性和碳中和。”

在 Optica 出版集团旗下的高影响力研究期刊Optica上，研究人员表明，他们开发的薄膜可将彩色物体的温度降低至比环境温度低约 2°C。他们还发现，当整天放在室外时，蓝色版本的薄膜比传统的蓝色汽车涂料温度低约 26℃。这意味着每年可节省约 1377 MJ/m 2的能源。

“使用我们的新薄膜，无论所需的颜色、饱和度或亮度如何，都可以实现出色的冷却性能，”王说。“它们甚至可以用于纺织品，制作出在高温下舒适的任何颜色的衣服。”

灵感源自大自然

涂有蓝色油漆的汽车呈现蓝色是因为它吸收黄光并反射蓝光。吸收的大量光使汽车升温。然而，大闪蝶却根据其翅膀的纳米结构产生高度饱和的蓝色。冷却纳米薄膜的设计模仿了这些结构，可产生鲜艳的色彩，不会像传统油漆那样吸收光线。

为了创造Morpho启发的纳米薄膜，研究人员将无序材料(粗糙的磨砂玻璃)放置在由二氧化钛和氧化铝制成的多层材料下。然后，他们将这种结构放置在反射所有光线的银层上，从而防止太阳辐射的吸收以及与吸收相关的热量。

薄膜的颜色取决于其多层结构中的组件反射光的方式。例如，为了产生蓝色，多层材料被设计为在非常窄的角度范围内反射黄光，而无序结构将蓝光扩散到广阔的区域。

尽管这种类型的被动光子热管理以前已经实现，但它仅用于白色或透明物体，因为它很难保持宽视角和高色彩饱和度。

彩色物体的被动冷却

“得益于我们开发的分层结构，我们能够将被动冷却方法从无色物体扩展到彩色物体，同时保持色彩性能，”王说。“换句话来说，我们的蓝色薄膜在大范围的视角下看起来都是蓝色的，并且不会变热，因为它反射了所有的光。此外，通过优化结构还可以实现高饱和度和高亮度。”

为了测试这项新技术，研究人员制作了蓝色、电影 和无色的薄膜，并在冬季和夏季的上午 9 点至下午 4 点将其放置在深圳大学的室外屋顶、汽车、布料和手机等表面。他们使用热电偶传感器和透视 摄像机测量温度，发现冷却膜在冬天比放置的表面温度低约 15 ℃，在夏天比放置的表面温度低约 35 ℃。

研究人员指出，用铝膜代替银膜将使薄膜更便宜，并且可以通过电子束蒸发和磁控溅射等可扩展的制造方法进行制造。现在，他们已经展示了薄膜的冷却和色彩性能，研究人员计划研究和优化其他性能，例如机械和化学稳定性。

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