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被动日间辐射制冷（Passive daytime radiative cooling, PDRC）无需任何电力输入即可实现低于环境温度的降温效果，这对于全球节能和减少碳排放具有重要意义。然而，由于大多数PDRC材料光谱特征为静态，在寒冷季节可能会导致过度制冷。为了减少过度制冷带来的能耗增加，动态PDRC材料研究已经得到了许多关注。
目前对动态PDRC的研究主要集中在相变材料、Janus薄膜。基于相变的动态PDRC材料具有固定的相变温度，且通常较复杂的超材料或多层膜结构。Janus薄膜需要材料的正反两面拥有截然不同的光学特性，不可避免地导致了薄膜厚度和重量的增加。已有理论研究指出非对称电磁传输窗口具有增强被动辐射制冷特性的作用，但一直未有实验验证。近期有研究人员实验展示了一种硅基非对称红外电磁窗口具有调控红外热辐射的作用，但其仅在中红外波段有效，且刚性的硅基形态也限制了其可扩展制备和大面积应用。
针对这些问题，来自宁波大学物理科学与技术学院的徐华副教授与中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员合作设计并制备了一种柔性结构化的聚乙烯膜（Flexible Structural Polyethylene Films, FSPFs）,这种膜从太阳光乃至中红外波段均具有非对称电磁传输特性，可用作多光谱自适应窗口（MultispectralSelf–adaptiveWindow,MSW），通过翻转MSW（iMSW为结构化面朝内，oMSW为结构化面朝外）便可动态调控PDRC与太阳和深冷空间的能量传输过程，如图1所示，最终使得PDRC化静为动，在制冷与加热两种状态间自由切换。
图1MSW对PDRC与太阳和深空能量的调控作用示意图
相关成果以题为“Flexible structural polyethylene films for dynamically tunable energy harvesting from the sun and outer space”发表于Nano Energy。
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108610
图2为该材料的实验制备流程。首先在硅片上通过无掩模直写式光刻和湿法刻蚀制备具有倒金字塔的微结构硅片模板，然后通过热压转印将反型微结构转移至聚乙烯薄膜表面，SEM图表明聚乙烯薄膜表面的金字塔结构十分规整，周期约为44μm，相互间隔为约为4μm。由于微结构特征尺寸大于入射电磁波波长，所以其传输基本遵循几何光学原理：当从金字塔微结构面入射时，电磁波在表面会经历至少两次反射，其总反射率为单次反射率的平方，因而，反射被极大抑制，呈现出高透状态；从另一面入射时，电磁波从金字塔微结构中逃逸至空气属于从光密入射到光疏介质，当入射角大于全内反临界角时便被反射回聚乙烯薄膜，无法进入空气，造成了电磁波反射率的增加，最终表现为低透态。
图2 柔性结构化聚乙烯薄膜实验制备流程图，光学及SEM照片
光谱实验测试也验证了电磁波从不同侧入射透过率不同的这一设想，结果如图3所示。MSW在0.25-20 μm的宽波长范围均表现出明显的电磁波非对称传输特性：在太阳光和大气透明窗口波段的正向透过率Tf分别达到了90.7%和93.5%，反向透过率Tb仅有34.7%和56.1%，太阳光和大气透明窗口波段的正反向透过率对比度分别达到了2.61和1.67。
图3 太阳光至中红外波段的透过率测试光谱
随后，研究人员户外实验测试了在iMSW和oMSW架构下的PDRC材料光热特性，如图4所示。温度测试结果表明：在白天太阳光直射时，iMSW架构下PDRC材料能够实现低于腔体环境温度4.3 ℃的温降，一旦反转为oMSW架构PDRC材料便可实现高于腔体环境温度3.4 ℃的温升，两种架构下分别对应平均制冷功率为55.6 W/m2，平均加热功率为83.5 W/m2；在夜间时iMSW和oMSW均呈现温降，但oMSW比iMSW可以少降0.8 ℃，体现了一定的保温作用。
图4 (A) 用于测量PDRC材料实时温度和净功率的实验装置；(B) 用于测量iMSW和oMSW架构下的温度和功率的装置示意图；(C) 日间温度测试记录的实时温度；(D) 夜间温度测试记录的实时温度；(E)和( F) 实验测得的冷却功率和加热功率
由于柔性的结构化聚乙烯膜很好地保存了聚乙烯膜原有的特性，它可以被随意卷曲、裁剪、折叠和拼接，完全能够获得更大面积和更为复杂的形状，如图5所示。同时，由于其在中红外波段的非对称传输，也可以用于其他有热辐射调控需求的场景，如热饮的杯套。研究人员将其包裹在装满热水的水杯外，发现iMSW对水杯中的热水表现出增强的热耗散，而oMSW则起到了抑制热耗散的作用：相对于未包裹的水杯，包裹了iMSW和oMSW的内部水温分别高出1.20±0.10和1.43±0.15 ℃，外壁高出为0.47±0.06和1.07±0.06 ℃。显然， oMSW具有更明显的保温作用。
图5 (A) 结构化聚乙烯膜可以卷曲、裁剪、折叠和拼接；(B) 包裹于热水杯外，不同时间下记录的红外照片；(C) 相对于未包裹的水杯iMSW和oMSW的内部和外壁温差。
结构化聚乙烯膜并没有改变现有的PDRC材料，但却通过动态调控PDRC材料与太阳和深冷空间的能量传输过程实现了在制冷态和加热态之间的切换，最终实现了将现有的PDRC材料化静为动。此外，结构化聚乙烯膜仍保留了聚乙烯的物理化学和机械力学特性，展现了其良好的可加工性，为未来的大规模应用展现出了光明的前景。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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