在印尼和泰國(guó)的火山地區(qū)，地面溫度高達(dá)70攝氏度，而在這樣惡劣的環(huán)境下，卻活躍著一種昆蟲——長(zhǎng)角甲蟲。這種甲蟲的翅膀上有微小的三角形結(jié)構(gòu)，不僅能夠反射太陽(yáng)光，還可以幫助其散發(fā)體內(nèi)的熱量。

受其啟發(fā)，來(lái)自上海交通大學(xué)、美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校以及瑞典皇家理工學(xué)院組成的一支研究團(tuán)隊(duì)，基于刻蝕旋涂真空熱固化的新方法，仿生制備出具有長(zhǎng)角甲蟲類似結(jié)構(gòu)的柔性薄膜，在被動(dòng)式輻射降溫的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了輻射降溫薄膜的宏量制備。

相關(guān)研究近日發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

長(zhǎng)角甲蟲帶來(lái)靈感

在自然界中，一些生物具有特殊的表面結(jié)構(gòu)，通過(guò)被動(dòng)輻射，表現(xiàn)出驚人的熱調(diào)節(jié)能力。長(zhǎng)角甲蟲就是其中一種。

“我們?cè)诶ハx館偶然發(fā)現(xiàn)這種甲蟲外表呈現(xiàn)金色的光澤，這引起了我們的關(guān)注?！闭撐淖髡咧?、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授周涵告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，長(zhǎng)角甲蟲大多生活在溫度很高的火山口附近，這也引起了他們的興趣，并對(duì)其微觀形貌、光學(xué)、熱學(xué)特性進(jìn)行了系列的研究，最終發(fā)現(xiàn)了一些新奇的特性。

研究人員首先觀察了長(zhǎng)角甲蟲前翅的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其前翅表面長(zhǎng)滿了絨毛，密度達(dá)每平方厘米2.55萬(wàn)根以上。前翅的顏色也可以有效地抵御褪色處理，展現(xiàn)出光子晶體的結(jié)構(gòu)色特征。

他們又通過(guò)進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)，每根絨毛都是由兩個(gè)光滑面與一個(gè)粗糙面組成的三角形結(jié)構(gòu)，粗糙面是寬度為1微米、高度為0.18微米的波紋型結(jié)構(gòu)，與絨毛本身構(gòu)成了多級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)。

在掌握了前翅表面的微觀結(jié)構(gòu)之后，周涵等人又對(duì)其光學(xué)性質(zhì)與溫度調(diào)節(jié)能力進(jìn)行了研究。通過(guò)觀察前翅在有無(wú)絨毛情況下的反射情況發(fā)現(xiàn)，絨毛可以將光線反射率提高35 %以上。通過(guò)乙醇溶液的浸沒(méi)實(shí)驗(yàn)則進(jìn)一步確定了高反射率是得益于絨毛表面存在的多級(jí)微觀結(jié)構(gòu)。

時(shí)間—溫度曲線也表明，表面絨毛具有顯著的降溫作用，在真空與空氣中分別達(dá)到3.2攝氏度與1.5攝氏度的溫度降幅。這種出色的溫度控制能力，有利于昆蟲在高溫、陽(yáng)光暴曬的環(huán)境中進(jìn)行日常覓食活動(dòng)。

“長(zhǎng)角甲蟲具有可見(jiàn)近紅外高反射特性和中紅外波段高發(fā)射特性，能有效地進(jìn)行表面降溫，使其具有耐熱能力。”周涵補(bǔ)充道。

制備仿生薄膜

基于對(duì)長(zhǎng)角甲蟲前翅表面結(jié)構(gòu)及溫度控制能力的研究，研究者們力圖制備出具有類似結(jié)構(gòu)的仿生輻射降溫薄膜。周涵告訴記者，仿生類似長(zhǎng)角甲蟲的結(jié)構(gòu)，難點(diǎn)就在于精準(zhǔn)制備微觀結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)大面積的制備。

在制備過(guò)程中，研究人員首先利用光刻法制備具有三角形結(jié)構(gòu)的硅模板，然后再將含有有機(jī)硅與氧化鋁微球的前驅(qū)體溶液旋凃于模板表面，熱聚合后分離得到表面為三角形的微結(jié)構(gòu)薄膜。此種方法，可以實(shí)現(xiàn)薄膜的大尺度、宏量制備，并且具有一定的通用性，可實(shí)現(xiàn)氧化鋅、氧化鋯、氧化鎂、二氧化鈦等多種陶瓷顆粒的摻雜。

在得到了仿生薄膜后，研究人員又對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示其在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)的平均反射率約為95%。薄膜實(shí)際制冷能力評(píng)估結(jié)果顯示，在平均太陽(yáng)強(qiáng)度約862 瓦/平方米、濕度為22.7%的條件下，仿生薄膜的平均溫度降為5.1攝氏度，最大溫度降為7攝氏度。

“我們?cè)谥苽淝皩?duì)甲蟲的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬解析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造優(yōu)化，使得中紅外發(fā)射率更高?！敝芎硎?，他們經(jīng)過(guò)理論研究提煉出優(yōu)化的仿生結(jié)構(gòu)模型，揭示了其機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)效仿優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型的仿生機(jī)理，使得仿生薄膜具有類似的功能。研究人員還通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能材質(zhì)復(fù)合，使得仿生薄膜的光學(xué)、熱學(xué)性能更優(yōu)。

被動(dòng)輻射制冷前景可期

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗約占全國(guó)總能耗的35%，而制冷空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占建筑能耗的50%~60%左右。現(xiàn)有的制冷技術(shù)大都基于蒸汽壓縮制冷，該技術(shù)需要消耗大量電力。因此，制冷技術(shù)已經(jīng)成為能耗大戶，技術(shù)亟須更新?lián)Q代。

學(xué)習(xí)自然，制備特殊的表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)輻射制冷，無(wú)疑是一項(xiàng)極具前景的技術(shù)。仿生薄膜不僅可以自行冷卻，還可以將周圍環(huán)境與膜所覆蓋的設(shè)備或熱體的溫度顯著降低。

周涵表示，未來(lái)，仿生薄膜可以用于被動(dòng)輻射冷卻領(lǐng)域，無(wú)須外加電源，如建筑物降溫、水系統(tǒng)冷卻、荒漠治理、太陽(yáng)能電池?zé)峁芾淼取４送猓藢?shí)現(xiàn)輻射制冷，這種仿生薄膜的柔韌性和疏水性也為其在各種可穿戴設(shè)備、個(gè)人電子設(shè)備以及車輛中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

“未來(lái)要想大規(guī)模應(yīng)用，還需要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品規(guī)格，并進(jìn)一步降低成本?！敝芎硎?，這種被動(dòng)輻射制冷的熱調(diào)控技術(shù)無(wú)疑更加節(jié)能環(huán)保。這一工作也為后續(xù)基于高性能光子輻射器的輻射冷卻技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)鋪平了道路。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 作者：李惠鈺