寒暑無憂！一種仿荷葉結構的超疏水冬暖夏涼調溫涂層
發布時間：2024-06-16 10:29:31點擊數：19
被動輻射降溫涂層材料是一種零能耗、零排放的新興節能技術，在提高建筑能效方面具有獨特優勢。能夠通過反射太陽光和輻射熱紅外有效降低物體表面的溫度，從而降低制冷能耗，因此在減少全球能源消耗方面前景廣闊。然而，輻射降溫涂層材料在應用過程中其表面易被環境灰塵、微生物、雨水等污染導致功能削弱，從而降低材料使用壽命。另一方面，現有的涂層材料在低溫環境下會持續輻射降溫導致過度制冷，反而增加冬季供暖能耗。此外，如何實現該材料的大面積量產以推動其邁向實際應用，仍然需要攻堅克難。
受荷葉的縱向梯度特征和表面微納結構的啟發，陜西科技大學薛朝華教授團隊聯合香港理工大學王鉆開教授和華中科技大學陶光明教授團隊合作研究，通過一步相分離工藝，制備出了一種集超疏水表面自清潔、太陽光反射率自動可調和熱紅外發射有效利用于一體的多功能調溫涂層，實現了高溫環境下的輻射降溫和低溫環境下的太陽能加熱從而達到“冬暖夏涼”智能調溫。這項研究成果以“Bioinspired Superhydrophobic All-in-one Coating for Adaptive Thermoregulation”為題發表在《Advanced Materials》（IF：29.4）上。在自然界中，植物葉片的復雜結構賦予了它們卓越的光吸收和潤濕性。例如，植物葉片的梯度結構，由上表皮、柵欄組織、海綿層和下表皮組成，其中葉綠體在柵欄和海綿組織內的不對稱分布優化了光合效率，使得葉片一面呈現出深色而另一面則相對淺色。而葉片表皮的潤濕特性，如荷葉表皮細胞，含有一層低表面能的蠟質和微納米乳突結構，賦予了其超疏水性。這種協同一體的自然現象啟發了科學家們探索新的材料和技術。研究團隊從荷葉的特殊結構汲取靈感，開發了一種能夠根據外界溫度變化自動調節自身光學性質的涂層。該涂層由幾種不同的材料復合而成，包括具有溫度響應特性的熱致變色微膠囊（TCMCs）、疏水性SiO2和聚偏氟乙烯共六氟丙烯[P(VDF-HFP)]。涂層的結構設計的非常巧妙，上表面具有微納多孔結構，由低表面能聚合物P(VDF-HFP)組成，散布著SiO2納米團簇。這種結構協同賦予了超疏水表面所需的“低表面能+微納米粗糙結構”特征，類似于荷葉的上表皮，從而確保了其光學特性的維持。在這些微納粗糙結構下面，嵌入了TCMCs，這些微膠囊會根據溫度的變化改變其顏色實現對太陽光反射和吸收的切換。而涂層的底部則是由許多微納小孔洞組成的多孔結構，這些孔洞有助于提高涂層對太陽光的反射性能。這種多功能協同一體化涂層的獨特之處在于，它能夠根據季節和溫度的變化自動調節。在夏季高溫時，涂層中的TCMCs會變成白色狀態，與底部微結構協同反射大部分陽光能量，幫助降低物體表面的溫度，其太陽光反射率高達92.3%，熱紅外發射率高達95.8%。相反，在冬季低溫時，TCMCs轉變為彩色，幫助涂層吸收熱量，從而實現太陽光加熱。此外，在其中還加入了光學改性劑對涂層進行防曬保護，與其表面的超疏水性自清潔作用共同保障了涂層功能的持久穩定性。同時這種超疏水智能一體化涂層還可以作為一種熱防護材料保護通訊設備和汽車等免受極高或極低的溫度影響。能耗模擬結果顯示，所設計的涂層與普通建筑相比制冷能耗平均節能53%，與傳統的輻射降溫材料相比年能耗最大節能18.7%。這項研究為智能調節輻射降溫技術的大規模制造提供了新方法，有望推動輻射降溫材料研究邁向戶外實際應用，對于推動全球碳中和與可持續發展提供了一種全新的解決方案，以應對氣候變化帶來的挑戰。圖1 仿生超疏水冬暖夏涼調溫涂層的設計、形貌表征和光學性能圖2 仿生超疏水冬暖夏涼調溫涂層的大面積制備及建筑節能模擬陜西科技大學博士后柳冰瑩和華中科技大學博士研究生吳嘉威為文章共同一作，陜西科技大學薛朝華教授、香港理工大學王鉆開教授和華中科技大學陶光明教授為文章共同通訊作者。感謝國家自然科學基金（52103263, 62175082）、國家重點研發計劃項目（2022YFB3805800）、華中科技大學多學科研究支撐計劃項目（2023JCYJ039）、武漢光電國家實驗室開放項目（2023083）、華中科技大學人文社會科學雙一流基金（華中科技大學體育產業研究中心）、陜西省國際科技合作重點項目（2023-GHZD-09）、陜西省教育廳科學基金重點項目（22JY011）、陜西省科研發展重點項目（2023gxhl-070）、陜西省秦創原“科學家+工程師”團隊（2023KXJ-069）、陜西省重點研發計劃項目（2020ZDLGY13-11）、陜西省科技創新團隊項目（2024RS-CXTD-46）對本工作的大力支持！
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