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(huì)讓我們清涼幾分。從光學(xué)角度來講,這是因?yàn)榘咨环瓷涠晃仗柟?,而諸如藍(lán)色或黑色等其他顏色,則會(huì)在吸收其互補(bǔ)波段光的同時(shí)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(tuán)隊(duì)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(dòng)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(huì)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(shí),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(dòng)汽車中運(yùn)行空調(diào)甚至?xí)估m(xù)航里程減少一半以上,”該研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)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。”
在這項(xiàng)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(jìn)行整天測試時(shí),藍(lán)色型號的薄膜要比傳統(tǒng)的藍(lán)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(shí)現(xiàn)出色的制冷功效,”汪萬林補(bǔ)充道?!八鼈兩踔量梢耘c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(lán)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(tái)噴有藍(lán)色車漆的轎車在日光照射下會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色,這種現(xiàn)象其實(shí)代表了我們平時(shí)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(huì)因吸收光而產(chǎn)生大量的熱,從而使車內(nèi)溫度升高。這時(shí),自然界中一種名為“藍(lán)閃蝶”的生物進(jìn)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(lán)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(lán)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(dòng)式制冷納米薄膜”。
為構(gòu)造出這樣一種“藍(lán)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(gè)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(shí)現(xiàn)被動(dòng)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(jìn)行操控。例如,要想使薄膜呈現(xiàn)藍(lán)色,就需要對多層膜部分的各膜層厚度來進(jìn)行設(shè)計(jì),以使其在一個(gè)極窄的角度范圍內(nèi)反射黃光,同時(shí)使無序結(jié)構(gòu)層在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)散射藍(lán)光。值得一提的是,盡管之前已有相關(guān)工作實(shí)現(xiàn)了這種類型的被動(dòng)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?yàn)樗鼈兒茈y在一個(gè)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。