上交张荻院士等综述：用于极端环境应用的辐射冷却材料

研究背景

辐射制冷技术能够通过热辐射这一被动零能耗过程，从外层空间这一“冷源”中获取冷量。其基本原理是：通过将物体表面的热能以中红外(MIR，波长范围通常为8-13微米)光的形式直接向太空辐射散失，同时反射太阳辐射(波长0.25-2.5微米)，确保中红外辐射产生的制冷功率超过吸收太阳辐射的加热效应，从而实现净制冷效果。该技术的应用领域广泛，涵盖建筑能源管理(可降低空调负荷与能耗)、高温环境(通过缓解过热问题维持设备效率)以及空间技术(为卫星、探测器等地外设施提供关键热调控)。随着技术持续发展，辐射制冷正成为应对气候韧性挑战与能源消耗问题的极具潜力的解决方案。

Radiative Cooling Materials for Extreme Environmental Applications

Jianing Xu, Wei Xie, Hexiang Han, Chengyu Xiao*, Jing Li, Yifan Zhang, Shaowen Chen, Binyuan Zhao, Di Zhang*, Han Zhou*

Nano-Micro Letters (2025)17: 324

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01835-9

本文亮点

1. 阐明了提升冷却性能与环境耐受性的热交换机制。

2. 综述了极端环境下的挑战，以及相应的抗环境型辐射制冷材料与微纳结构设计。

3. 探讨了面向极端环境应用的下一代辐射制冷技术强化策略，提供了有价值的见解。

内容简介

辐射制冷是一种被动式热管理策略，其利用材料通过红外辐射自然散发热量的特性，在提升能源效率、推动气候适应性发展及可持续技术创新方面具有重要意义，可广泛应用于个人热管理、建筑温度调控及航空航天工程等领域。然而，辐射制冷性能易受环境老化及特殊环境条件影响，限制了其在极端环境中的应用。上海交通大学张荻院士、周涵等人对极端环境下的辐射制冷技术进行了批判性综述，重点探讨了提升环境耐受性与冷却效率的方法。首先，本文介绍了基于热流平衡定制设计的热交换通道原理，以优化不同极端环境下的辐射制冷能力。随后，系统梳理了符合这些设计原则的辐射制冷材料与微纳结构最新进展，重点关注其在陆地居住环境、陆地极端环境、航空环境及太空环境中的应用。此外，本文评估了极端辐射制冷装置的冷却效果与抗环境性能。最后，概述了阻碍极端环境辐射制冷装置发展的关键挑战，并提出了突破现有局限的潜在策略，以期推动其未来商业化进程。

图文导读

I 辐射制冷材料的应用场景

辐射制冷材料与光子结构的研究日益聚焦于实际应用，尤其是对材料性能提出严苛要求的极端环境。这些环境可大致划分为陆地居住环境、陆地极端环境、航空环境及太空环境四类，每类环境均对辐射制冷材料与微纳结构设计提出了差异化需求(图1)。在陆地居住环境中，辐射制冷装置在8–13 μm大气窗口(AW)范围内进行辐射散热，同时抵御微生物、紫外辐射、污染、火焰、酸/碱雨和颗粒物(PM)等环境损害。在陆地极端环境中，制冷器利用更多大气窗口(3–5、8–13和16–25 μm)以在高温、潮湿或干旱条件下保持高性能。在航空环境中，热辐射被限制在5–8 μm范围内以满足红外隐身要求。在太空中，制冷器利用整个中红外(MIR)光谱，并能在强紫外辐射、宇宙射线和原子氧暴露等恶劣条件下长期运行。

图1. 不同极端环境条件下辐射制冷示意图。

II 热交换通道的设计原则

热力学中的热交换发生在两个不同温度的物体之间，通过热能的传递得以实现。在冷却管理过程中，这种交换涉及材料固有属性及其与周围环境的相互作用，包括热的太阳辐射、冷的外太空、环境大气以及蒸发或熔化等相变过程中涉及的潜热。在本节中，提出了一种用于管理散热路径的开/闭原理。通过精确协调各热交换路径的状态，冷却系统可实现更强的环境适应性和更高的冷却效率(图2)。

图2. 热交换通道示意图，包括太阳辐射、通过大气窗口(3–5、8–13和16–25 μm)的热辐射、大气逆辐射(2.5–3、5–8和13–16 μm)、热传导、热对流、水蒸发及相变冷却(顶部)。发射器针对不同极端条件(包括陆地居住环境、陆地极端环境、航空环境和太空环境)具有相应的热交换通道开/闭原理(底部)。

2.1 太阳辐射过程

太阳能是物体的重要热源，导致它们的温度升高。鉴于峰值太阳辐照度可超过1000 W m⁻2，即便冷却系统仅吸收极少量的太阳能，也会显著降低辐射制冷的效能。因此，提高太阳反射率对于防止因太阳辐射吸收过多热量而言至关重要。除米氏散射外，全内反射是另一种可加以利用的关键机制。当光从光密介质以大于临界角的角度传播至光疏介质时，会发生全内反射，致使光被完全反射回原介质而非折射出去。在实际应用中，尤其是在建筑设计、汽车涂层或军事伪装等领域，实现宽带太阳反射光谱特性未必始终是首要考量。

2.2 辐射过程

大气窗口(3 – 5、8 – 13和16 – 25 μm)允许地球表面的热辐射直接传入太空。其中，8 – 13 μm的波长范围是MIR区域最显著的大气窗口。在该范围内，水蒸气和二氧化碳等大气气体的吸收极少，使得热量能够从地面高效地传递到太空。相比之下，由于二氧化碳和水蒸气等气体的分子振动，热辐射在其他波段(即非大气窗口)的传播受到阻碍(图3a)。8-13 μm波段的高发射率在陆地居住环境中最大化冷却效率方面起着重要作用(图3b)。在陆地极端环境(如戈壁和沙漠)中，低湿度条件使得不仅可利用主要大气窗口(8 – 13 μm)，还可利用包括3 – 5 μm和16 – 25 μm范围在内的次要窗口。这有助于增强辐射热耗散，对于满足此类极端条件下通常遇到的高冷却需求十分有利(图3c)。航空环境中，在短波区域(如2.5 – 3 μm和5 – 8 μm)的非大气窗口(non-AWs)内实现高发射率，对于有效的冷却管理至关重要(图3d)。在太空环境中，由于没有大气，来自大气的功率输入可降至零。因此，冷却器可直接向太空发射整个MIR区域的热辐射。在这种情况下，太空冷却装置应设计为超宽带(> 2.5 μm)热辐射器(图3e)。

图3. a. 干旱与潮湿条件下的大气透射率，以及水蒸气和二氧化碳的吸收区域。辐射制冷在以下环境中的光谱要求：b. 陆地居住环境；c. 陆地极端环境；d. 航空环境；e. 太空环境

2.3 热传导和对流过程

在高温环境中，由于周围环境和物体之间的大温差，大量的热流显著升高了被冷却物体的温度。为应对这一挑战，沙漠、航空及太空等极端环境下的冷却管理装置必须采用低热对流与导热系数设计(图4)。此类设计通过增强热阻来最小化外部热源与内部物体间的热传递，从而降低冷却系统的整体热负荷。然而，在太空环境中，由于缺乏热传递介质，热对流现象不复存在。此时，设计高效隔热材料成为关键，以防止热量从物体外表面向内部流动。

2.4 潜热转换过程

当温度发生变化时，材料会发生相变，在此过程中会以潜热的形式吸收或释放热量。这种潜热特性使得相变过程表现出类似于电感的特点，能够抵抗热流的快速变化，并稳定热波动(图4)。在冷却管理中，冷却系统的设计常采用液-气相变或固-液相变。尤其是水，凭借其高蒸发焓和储量丰富，成为液-气相变的理想候选材料。在开放系统中，水通过蒸发过程与外部介质(如环境空气)进行质量交换，其蒸汽可将大量废热携带至周围环境。

图4. 传统辐射冷却器通过反射太阳光并辐射热红外波段热量实现散热，其热量耗散主要通过热传导(蓝色路径)、热对流(灰色路径)和热辐射(红色路径)完成。与传统设计相比，隔热型辐射冷却器通过降低热传导与对流系数，显著提升了热阻(蓝色和灰色路径)，从而有效阻隔外部热流进入内部。而协同型辐射冷却器则通过电致变色(EC)材料或相变材料(PCM)的潜热效应(棕色路径)，抑制热流的快速波动——这一过程主要依赖于水蒸发或固-液相变过程中产生的潜热吸收与释放。

III 陆地居住环境

在陆地居住环境中，辐射制冷器面临多种影响人类日常生活和材料性能的极端环境，如紫外线辐射、微生物侵蚀、空气污染、火焰、污染沉积以及城市热岛效应等。本节将全面总结四大材料体系(包括有机材料、有机基复合材料、无机基复合材料及无机材料)在各类极端条件下的强环境耐受性实现方案。一方面，具有高能共价键和金属键的材料因其固有的环境抗性，成为提升辐射制冷器在极端环境中耐久性的理想选择；另一方面，精心设计的微纳结构可赋予材料特定的环境耐受特性。值得注意的是，这些制冷材料在主要大气窗口(8–13 μm)范围内具有接近黑体的发射率，从而实现了最大制冷效率。

3.1 有机材料

在室内外环境中，个人降温需呈现出不同的光谱特性。在室内环境中，散热要求对人体产生的MIR辐射具有透明性，而室外降温效率主要取决于在主要大气窗口内的高发射率以及高太阳反射率(图5a)。Wu等人通过静电纺丝法制备了一种聚甲醛(POM)纳米织物，该织物涉及一种平衡发射与透射模式的降温机制。其在0.3 – 2.5 μm范围内反射近95%的太阳能，在4 – 25 μm范围内透射48.5%的热辐射，无论环境如何均有助于实现个人降温(图5b)。如图5c所示，在连续的户外测试中，与商用防护服相比，POM织物表现出更优的降温效果。在晴天条件下，两个区域的温差达到约3.0 °C，在阴天条件下达到约1.5 °C。

高温对有机材料构成重大挑战，其中燃烧情况尤为严重。Tian等人通过液压成型和热退火工艺制备了一种高性能三聚氰胺甲醛(MF)降温块体。由于MF块体扩散表面上存在微粒，其表现出有效的太阳光散射，从而实现高达0.94的太阳反射率。同时，三聚氰胺环和羟基的分子振动导致其在主要大气窗口内的热发射率为0.95(图5d)。作为一种热固性塑料材料，MF具有优异的阻燃性能和自熄能力。在1430 °C下点燃3 s后，MF块体能够在15 s内熄灭，而木材已化为灰烬(图5e)。此外，MF在酸性或碱性条件下暴露时，其太阳反射率和MIR发射率几乎保持不变。

通过设计复杂结构，材料可获得对环境因素更强的抵御能力。Liu等人通过构建异质纳米纤维网络设计了一种辐射降温口罩，该口罩有效结合了降温性能与减轻颗粒物(PM)污染的能力(图5f)。降温层由具有多孔结构的褶皱聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))纳米纤维组成，可有效实现太阳光反射与红外发射(图5g)。与去除率达69.51%的对照纳米纤维滤膜相比，该辐射降温口罩的PM0.3泄漏量降低了30倍(去除率为99.02%)，达到N99口罩标准(图5h)。

图5. a 个人降温织物的示意图。b POM织物在太阳光谱及中红外(MIR)光谱范围内的光谱特性。插图展示了MIR光谱中发射率、透射率和反射率的比例。c 人体在三种不同环境中穿着防护服的红外图像。d MF块体的纳米结构与降温原理示意图(左)。具有白色外观的MF块体照片(右)。e MF块体与木材的耐火性测试示意图。f 辐射降温口罩的光学图像，展示了其在白天的强散射效应。g 具有梯度孔隙结构的辐射降温口罩示意图。h 两种口罩的颗粒物(PM)过滤性能与舒适性评估。

3.2 有机基复合材料

得益于所添加无机粒子的特性，辐射降温系统可展现出优异的抗菌性能，以保护人体健康并保持表面无污染。Heng等人设计了一种机械柔软的微流体智能口罩系统(EBCare)，采用串联降温策略，将水凝胶蒸发与辐射降温相结合(图6a)。将银(Ag)纳米粒子掺入水凝胶中，不仅赋予EBCare强大的抗菌性能，还提高了其生物相容性，可实现长时间贴身使用(图6b)。

除粒子外，无机纳米管和纳米线常被用于改善有机基质的性能。在城市环境中，地面、建筑物及其他基础设施等地面物体会释放大量热辐射，导致降温效率降低(图6c)。为解决这一问题，Wu等人设计了一种红外光谱选择性分层织物(SSHF)，该织物由聚甲基戊烯(PMP)纤维层、银纳米线(AgNWs)和羊毛织物构成(图6d)。因此，SSHF的主要大气窗口(AW)光谱选择性比(主要AW内平均发射率与2.5 – 8 μm和13 – 20 μm范围内平均发射率的比值)为2.23，主要AW平均发射率为0.85(图6e)。根据理论计算，SSHF在任何角度下的降温功率均高于宽带织物(图6f)。除优异的降温性能外，SSHF还表现出抗紫外老化性能、自清洁能力和出色的机械性能(图6g)。

Zhang等人开发了一种用于高性能辐射降温的柔性混合光子薄。这种仿生薄膜由封装有随机分布的球形Al₂O₃粒子的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微金字塔周期阵列构成，实现了高太阳反射率(95%)和优异的中红外(MIR)发射率(96%)(图6h)。此外，由于微金字塔结构形成的高表面粗糙度，该降温薄膜表现出超疏水性，可抵御污染。受蜘蛛丝的启发，Yao等人通过将K₂Ti₆O₁₃纳米纤维包裹在聚氧化乙烯(PEO)纤维中制备了一种纳米复合材料(图6i)。该纳米复合材料在主要大气窗口内具有91%的高热发射率和94%的高太阳反射率。由于K₂Ti₆O₁₃能够吸收高能紫外光子并将其转化为相对无害的热量，因此赋予了该薄膜优异的抗紫外性能。

图6. a. 具备降温与传感功能的智能EBCare系统示意图。b. EBCare降温机制示意图。c. 城市环境中可穿戴织物示意图，其中垂直区域占据大部分(左)。地面物体作为热源的典型场景的光学与红外图像(右)。d. SSHF结构与热传递机制示意图(左)。SSHF、皮肤与外部环境之间的热辐射过程(右)。e. 聚甲基戊烯(PMP)与其他材料的发射率选择性比及计算得出的降温功率。f. SSHF、宽带发射体与选择性发射体的计算降温功率对比。g. SSHF在1000次拉伸测试循环中表现出卓越的稳定性。h. 雄性长角甲虫照片(左)。仿生薄膜示意图，其中陶瓷颗粒被集成到具有密集微金字塔阵列的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质中(右)。i. 受蜘蛛丝启发的纳米复合材料，具有改善的机械性能与抗紫外性能。

3.3 无机基复合材料

Song等人展示了一种基于抗老化降温涂料(AACP)的涂层，该涂层由疏水性金红石型二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒组成。如图7a所示，具有合适堆积密度(φ)和液-固接触分数(f)的纳米结构可同时实现优异的辐射降温和防污性能。此外，通过硅烷化反应将全氟辛基三氯硅烷(PFOTS)接枝到TiO₂纳米颗粒(NPs)表面，以引入氟化物成分，从而降低AACP涂层的表面能(图7b)。值得注意的是，精心设计的结构和接枝的PFOTS使AACP能够长时间防污，使涂层保持几乎不变的辐射降温效率(图7c)。户外老化后，AACP仍保持超疏水性，表观水接触角大于150°，滚动角大于5°(图7d)。当被过量污染物污染时，污染物可迅速从AACP表面滑落，从而实现自清洁效果(图7e)。TiO₂还可有效用于皮肤降温和紫外线防护，Xu等人将各种尺寸的金红石型TiO₂纳米颗粒加入商用面霜中，以实现高紫外线吸收率和高太阳反射率(图7f)。具有宽尺寸分布的TiO₂纳米颗粒可引发强烈的米氏散射效应，使防晒霜的太阳反射率高达90.19%(图7g)。此外，具有合适带隙的TiO₂颗粒可通过电子-空穴对的产生和复合吸收紫外线能量，从而减少紫外线对皮肤的损伤(图7h)。

多种无机材料的集成利用了它们各自不同的环境耐受性和辐射降温能力，使得在各种极端环境中能够实现卓越的长期降温应用。Li等人设计了一种复合结构，该结构底部为聚醚砜(PES)降温层，中间为二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒层，顶部为氧化铝(Al₂O₃)纳米颗粒层(图7i)。PES薄膜具有高度多孔的结构，整个薄膜上均匀分布着微米级的蜂窝状孔隙，这使其在太阳光谱范围内具有强散射能力(图7j)。此外，可对Al₂O₃纳米颗粒进行预处理以实现超疏水性，从而使降温器具备自清洁能力。因此，这种双颗粒降温器对紫外线和污垢具有出色的抵抗能力(图7k)。

图7. a. 不同堆积密度(φ)和液 – 固接触分数(f)下的疏水与散射效应示意图。b. PFOTS结构示意图(左)，透射电子显微镜(TEM)图像展示接枝到TiO₂纳米颗粒表面的含氟成分(右)。c. 污渍测试后，被污染的抗老化降温涂料(AACP)涂层保持几乎不变的太阳反射率。d. 户外暴露6个月后AACP的润湿行为。e. 污染物落在AACP涂层上并滑落，展现出卓越的自清洁功能。f. 辐射降温防晒霜的概念设计。g. 辐射降温防晒霜的太阳反射率。h. TiO₂纳米颗粒吸收紫外线的机制。i. 三层PES – TiO₂ – Al₂O₃降温器示意图。j. PES – TiO₂ – Al₂O₃降温器的扫描电子显微镜(SEM)图像。k. PES – TiO₂ – Al₂O₃降温器在紫外线照射前后的照片。

3.4 无机材料

Zhao等人通过将玻璃和氧化铝(Al₂O₃)颗粒加入可涂刷浆料中，设计出一种辐射降温玻璃。经热退火处理后，形成了具有微米级孔隙的玻璃框架，其中分布着氧化铝纳米颗粒(图8a、b)。当与透明保护层结合时，这种玻璃还展现出强大的环境稳定性和抗污性能(图8c)。此外，该玻璃具有卓越的耐火性，能承受1000°C火焰冲击约10秒，且微观结构和光学反射率均无变化(图8d)。这种降温玻璃还能在紫外线照射、浸水及污渍等各种环境条件下保持光学性能稳定(图8e)。Lin等人受甲虫启发，通过相转化和烧结工艺制备氧化铝颗粒，进而制造出一种降温陶瓷(图8f)。该陶瓷可耐受超过800°C的高温，并能通过辐射降温与蒸发降温的协同作用实现快速降温(图8g)。

与高温条件下颗粒键合的方式不同，Lin等人报道了一种源自全氢聚硅氮烷(PHPS)的无机粘结剂，并开发了一种窄带发射体。该发射体由位于反射基底和单层二氧化硅(SiO₂)微球之间的氮氧化硅层构成(图8h)。研究人员采用改进的Langmuir-Schaefer自组装方法将SiO₂微球沉积到表面，并通过源自PHPS的粘结剂使其粘附，形成了类似白纸的无机发射体(图8i)。因此，该薄膜在实现高达94.6%的红外选择性发射率的同时，在8 – 13μm波段与整个波段之间还展现出1.46的光谱选择性比(图8j)。

图8. a. 辐射降温玻璃涂层的示意图。b. 乙醇中的玻璃-氧化铝(Al₂O₃)颗粒浆料展现出优异的流动性。c. 带有增强保护层的辐射降温玻璃展现出卓越的抗污染性能。d. 降温玻璃涂层在1000°C下接受火焰冲击约10秒。e. 模拟湿热环境，对辐射降温玻璃涂层进行浸水、紫外线照射和污渍测试前后的太阳反射率。f. 呈现白色的标本照片(左)。具有多级孔隙结构的降温陶瓷样品的扫描电子显微镜(SEM)图像(右)。g. 水滴以5秒为间隔接触样品时表面温度的变化。h. 无机发射体的示意图。i. 呈现白色的无机发射体的光学图像。j. 无机发射体在太阳和红外波段的光谱特性。

IV 陆地极端环境

除了陆地居住环境中会遇到的极端条件外，还存在许多不适宜人类居住的多样化陆地极端环境，尤其是沙漠和热带雨林等高温或高湿地区。在这些环境中，仅通过主要大气窗口进行辐射降温，难以实现高效的降温管理。因此，有必要引入额外的热交换通道，以提升整体降温管理性能。在本节中，将探讨如何增强这些额外的热交换通道，包括通过次要大气窗口进行的热辐射、热传导与对流、蒸发以及相变机制，以提高降温效率。此外，还将采用各种微纳结构与材料，来精确调控这些额外热交换通道的开启与闭合。

4.1 双选择性发射极

Wu等人将分子振动被限制在多个大气窗口的聚合物相结合，展示了一种沉积在铝箔基底上的分层结构聚甲醛(POM)-聚四氟乙烯(PTFE)珠状纤维薄膜，该薄膜可作为高效的双选择性热发射体(图9b)。此薄膜仅通过大气窗口发射热辐射，从而在最大程度提升降温效率的同时，将大气逆辐射的吸收降至最低(图9a)。具体而言，由于C-O-C键的吸收，POM在8～13μm波段表现出强烈的分子振动；而PTFE则因C-F键的作用，在16～25μm波段呈现出显著的振动吸收(图9c)。此外，该薄膜在其他MIR区域且大气透过率较低的波段展现出高反射率，大幅降低了大气逆辐射的影响(图9d)。同时，铝箔的随机纤维排列和高反射率，使薄膜在太阳辐射区域具有高太阳反射率(95.4%)，从而使该双选择性发射体在沙漠中具备卓越的降温性能(图9e)。在一天中最炎热干燥的时段，该双选择性发射体实现了7.9～9.5°C的最大低于环境温度的降温，显著优于非选择性聚偏氟乙烯(PVDF，4.2～5.8°C)和单选择性POM(4.8～6.8°C)(图9f)。

除材料本身所具备的选择性分子振动特性外，诸如光子晶体和超材料等有序纳米光子结构，也可通过精确调控光谱实现高度选择性的辐射降温。Mira等人提出了一种辐射降温器，该降温器由三层电介质层(氮化硅SiN、碳化硅SiC和二氧化硅SiO₂)以及一个银背反射器构成(图9g)。该辐射降温器在16 – 25μm大气窗口范围内呈现出高度角度依赖性的发射率，这有助于减少对地面辐射的吸收，并提高辐射降温效率(图9h)。此外，Yin等人开发了一种发射器，该发射器由沉积在多层薄膜上的三角棱柱超材料组成，用于辐射降温(图9i)。三角棱柱底部的狭缝增强了16 – 25μm大气窗口范围内的热发射，而氮化硅(Si₃N₄)层则增强了8 – 13μm大气窗口范围内的吸收(图9j)。

图9. a. 三种辐射降温器中辐射热交换的示意图。b. POM- PTFE薄膜的示意图。c. POM和PTFE在MIR范围内的分子振动情况。d. 沉积在铝箔上的POM-PTFE薄膜在0.3 – 25μm范围内的光谱特性。e. 沙漠中降温测试的照片。f. 上午10点到下午3点三种发射体的温度变化情况。g. 所设计降温器的发射率光谱图。h. 显示所设计降温器平均发射率随角度变化关系的等高线图。i. 具有多层结构上图案化SiO₂超材料发射体的三维示意图。j. 共振位置(11.1μm和25μm)处的电场分布情况。

4.2 绝热冷却器

Zhong等人研发了一种由分级空心聚偏氟乙烯(PVDF)微纤维构成的热绝缘降温器(TIC)，该降温器可同时实现辐射降温和热绝缘，有效减少外部热量获取(图10a)。如图10b所示，空心结构对热绝缘至关重要，因为空气热导率低，且固-气界面的额外声子散射会进一步阻断固体中的热传递路径。该TIC在室温下热导率仅为14mW·m⁻1·K⁻1，甚至低于空气(图10c)。Qin等人采用蒸汽交换法制备了基于颗粒的聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))海绵，其热导率极低，仅为48 mW·m⁻1·K⁻1(图10d)。由于存在多种热振动模式，P(VDF-HFP)海绵的MIR发射率高达95.6%，同时，因纳米颗粒激发的强米氏散射效应，其对太阳辐射的反射率达94.5%(图10e)。除了出色的降温性能外，该海绵还具备优异的机械强度和疏水性，适用于高温高湿环境(图10f)。气凝胶具有高孔隙率和低密度的特点，是最优秀的热绝缘材料之一。受蝴蝶结构白度的启发，Cai等人设计了一种具有定制超表面的纤维素纳米晶气凝胶光栅(CAG)，可实现有效降温(图10g)。经过8小时紫外线照射后，CAG仍能保持稳定的拓扑超结构(图10h)。由于CAG具有优异且持久的降温性能，它对建筑物节能，尤其是在炎热季节，具有重大贡献(图10i)。

图10. a. 具有分级微纤维结构的热绝缘降温器(TIC)的扫描电子显微镜(SEM)图像。b. TIC热交换过程示意图。c. TIC与对照样品的热导率对比图。d. 具备反射太阳光和发射红外辐射能力的海绵的光学图像。e. 海绵的反射光谱图。f. 海绵的接触角测量图。g. 纤维素纳米晶气凝胶光栅(CAG)的仿生策略与降温机制示意图。h. CAG在紫外线照射前后的微观结构图。i. 使用CAG时南京地区模拟年度降温能耗图。

4.3 蒸发协同冷却器

单层水凝胶可通过利用自身固有特性或添加掺杂剂，在同一层内实现蒸发冷却与辐射冷却的集成。Galib等人制备了一种光子水凝胶，以实现辐射-蒸发混合冷却。在有水分存在的情况下，聚丙烯酸钠(PAAS)分子之间会形成水凝胶键，从而构建出坚固的交联网络(图11e)。因此，PAAS粉末能够转变为具有白色外观和优异机械性能的大面积薄膜(图11f)。Hu等人将具有微孔和纳米孔的超疏水二氧化硅气凝胶(SHBSA)颗粒掺入聚乙烯醇(PVA)基质中，制备出分层多孔水凝胶(HPHG)(图11g)。由于含水量为80 wt%的HPHG重量轻且具有疏水性，因此可将其制成冷却背心，用于极端高温环境下的人体热调节(图11h)。

图11. a. 串联冷却设计示意图。b. 串联冷却器正面与截面视图照片(左)。顶部醋酸纤维素(CA)纤维网络与底部聚乙烯醇-氯化钙(PVA-CaCl₂)水凝胶的扫描电子显微镜(SEM)图像(右)。c. 串联冷却、蒸发冷却及辐射冷却的冷却功率计算结果。d. 在热负荷为200 W m⁻2的阴天条件下，串联冷却器在冷却性能上始终优于辐射冷却器。e. 聚丙烯酸钠(PAAS)光子水凝胶的冷却机制(上)。通过水凝胶键交联形成PAAS光子水凝胶的示意图(下)。f. PAAS光子水凝胶的光学照片。g. 分层多孔水凝胶(HPHG)的合成示意图及其化学结构。h. HPHG在高温环境中的冷却效果，包括光学图像与红外图像。

4.4 相变协同冷却器

将相变层集成到辐射冷却装置中，可实现辐射冷却与相变冷却的同时进行(图12a)。Qin等人展示了一种由聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)薄膜与膨胀石墨(EG)包裹脂肪醇(FA)的复合材料组装而成的双功能冷却器。一旦热冲击消失，储存的热量会在EG@FA的冻结过程中逐渐释放(图12b)。在2000 W m⁻2的热通量下，该双功能冷却器能够产生约860 W m⁻2的净冷却功率，与传统辐射冷却器相比，可实现最高39 °C的温度降幅。即使热通量增加至3000 W m⁻2，该冷却器仍能快速降低物体温度(图12c)。Wang等人报道了一种兼具相变吸热与辐射冷却功能的复合薄膜。位于顶部的辐射冷却层由嵌入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基质中的硫酸钡(BaSO₄)纳米颗粒构成(图12d)。该复合薄膜具有138 kJ kg⁻1的高相变焓、0.94的太阳反射率以及在主要大气窗口(AW)内0.96的发射率。因此，基于该双功能薄膜的能源装置在全球不同陆地气候区，尤其是高温高湿的近赤道地区，展现出显著的建筑年度节能潜力(图12e)。

Tang等人报道了一种级联异质多孔纳米复合薄膜(HENF)，其中用于反射太阳光谱的微腔密集分散在红外发射相基质中。在该基质中，六方氮化硼(h-BN)被组装并嵌入微腔内，形成粗糙的内层(图12f)。值得注意的是，具有结晶-熔融特性的聚二十二烷基丙烯酸酯网络被引入发射相基质中，从而赋予其基于辐射冷却的额外热吸收功能(图12g)。重要的是，经过50次加热-冷却循环后，该薄膜仍能保持稳定的相变行为(图12h)。核壳纤维结构是封装相变材料(PCMs)以实现协同冷却的另一种有效方式。Yan等人采用以醋酸纤维素(CA)为外壳、聚乙二醇(PEG)为内核的核壳纤维，制成了个人冷却织物(图12i)。当放置在加热台上时，不含PEG的织物温度从15.2℃线性升至44.9℃，而由于PEG优异的储热能力，添加了PEG的织物在430秒内能将温度维持在约34℃(图12j)。在相对湿度为65.3%的条件下，与不含PEG的织物相比，添加了PEG的织物可额外降低3.9℃的温度(图12k)。

图12. a. 双功能冷却与传统辐射冷却示意图。b. 用于增强抗热冲击能力的相变材料(PCMs)熔化和凝固过程的传热模型。c. 暴露于不同热冲击功率密度下的冷却器的温度曲线。d. 双功能薄膜示意图。e. 全球不同陆地气候区建筑物的年度节能潜力。f. HENF的结构设计示意图。g. HENF的热自适应辐射冷却特性。h. HENF样品经过50次加热和冷却循环后的差示扫描量热(DSC)曲线及相变焓。i. 纤维的示意图和透射电子显微镜(TEM)图像。j. 加热过程中不同纺织品的红外热图像。k. 相对湿度为65.3%时皮肤、棉花、织物冷却层及周围环境的温度数据。

V 航空环境

本文综述了纳米颗粒、纳米酶、脂质体、纳米纤维、外泌体和胶束等纳米材料在治疗炎症相关疾病中的应用，如感染、创伤愈合、肝肾损伤、心脑血管疾病、神经系统疾病、肠道炎症和风湿性疾病。与传统的小分子药物相比，这些纳米材料具有更好的载药能力和溶解度。具体而言，可通过清除ROS减轻炎症相关氧化应激。此外，本综述还探讨了涉及纳米材料的各种靶向策略，如使用配体、活性氧响应材料或仿生生物膜来修饰它们。这种修饰可以显著提高药物的生物利用度，并通过主动靶向提高纳米药物的治疗效果。讨论的各种应用为开发新型纳米药物提供了宝贵的见解，并为探索预防和治疗疾病的创新解决方案提供了新的机会。虽然纳米医学显示出巨大的前景，但必须承认，仍然需要取得实质性进展，临床转化的步伐仍然缓慢。为加快纳米医学在临床环境中的实施，应解决以下方面：

鉴于航空环境中对红外隐身的特殊需求，辐射冷却器必须在非大气窗口(non – AWs)而非大气窗口(AWs)范围内发射热辐射。因此，理想的航空用辐射冷却器应在2.5 – 3 μm和5 – 8 μm波段具备近乎完美的发射率，同时在8 – 13 μm波段保持高反射率。为实现这一目标，研究人员设计了纳米光子结构，例如能够引发光子晶体效应或电磁共振的多层膜和超材料，以精确调控MIR光谱。此外，通过集成热绝缘材料，可进一步降低航空设备的表面温度，从而减弱红外信号强度，提升隐身性能。

5.1 多层结构

Qin等人研发出一种多层结构，该结构兼具出色的可见光与红外隐身性能以及优异的辐射冷却效果。此结构在2.5 – 3 μm和5 – 8 μm波段呈现高发射率，在其他MIR波长范围内呈现低发射率，同时在可见光(VIS)和近红外(NIR)光谱区域呈现低反射率(图13a)。为制备该结构，将两种不同厚度的氧化铝(Al₂O₃)/锗(Ge)层、一层硫化锌(ZnS)层、一层硫系合金(GST)层以及一层镍(Ni)层依次堆叠(图13b)。在可见光波段，锗层的本征吸收以及氧化铝层的抗反射作用导致其具有高吸收率(图13c)。在其他红外波段，电场和电阻损耗均受到抑制，从而使得这些波段的发射率较低(图13d)。

除对红外和可见光波段进行调控外，许多航空冷却器还能够对不同波长的光谱进行操纵，以在各种场景下实现多波长隐身。Zhu等人制备了一种多层结构，以满足多种光谱需求。该结构由用于可见光/激光/中红外(MIR)隐身及辐射冷却的锗(Ge)/硫化锌(ZnS)多层发射器，以及用于微波吸收的铜-氧化铟锡-铜超表面组成(图13e)。交替排列的锗层和硫化锌层形成了一维光子晶体，在3 – 5 μm和8 – 14 μm大气窗口内存在带隙，其反射率分别达到0.89和0.88(图13f)。此外，该研究团队还通过结合二氧化硅气凝胶和锗/硫化锌多层结构，设计了一种兼具隔热、辐射冷却和红外隐身性能的装置(图13g)。根据理论计算，通过对热传导和对流通道、大气通道以及非大气通道进行调控，可显著降低红外信号强度(图13h)。通过优化多层结构的厚度，该选择性发射器在8 – 14 μm波段可反射约95%的红外辐射，同时在5 – 8 μm波段可发射约58%的热辐射(图13i)。

图13. a. 传统可见光至红外探测波段、信号源以及航空环境下理想冷却器光谱示意图。b. 用于隐身的多层结构示意图。c. 沉积在硅基底上的设计多层结构。d. 样品与铬参考的光谱。e. 多光谱隐身薄膜示意图。f. 硫化锌/锗发射器在不同波段的电场与电阻损耗。g. 结合热绝缘气凝胶的选择性发射器用于高温红外隐身的示意图。h. 在不同物体温度下，热绝缘(橙色)、8 – 14 μm大气窗口低发射率(红色)以及5 – 8 μm非大气窗口高发射率(蓝色)对红外信号降低的贡献。i. 隔热选择性发射器的结构设计以及在6 μm和11 μm处的归一化电场强度。

5.2 超材料

Liu等人研发了一种双层级仿生超材料(BBM)，该材料集可见光操控、激光隐身及MIR选择性辐射功能于一体(图14a)。BBM由双层铂(Pt)圆盘、二氧化硅中间层及底部铝(Al)反射层构成(图14b)。此外，当加入10.6 μm滤波片后，BBM呈现出更高的表观温度，进一步证明了其在该波长下的强吸收特性(图14c)。类似嵌入金属图案的设计，Qin等人通过将频率选择发射器(FSE)与微波吸收器(MA)集成，制备了一种分层超材料(HMM)(图14d)。FSE层通过耦合传播表面等离子体共振与局域表面等离子体共振，在横磁(TM)和横电(TE)两种偏振模式下均展现出优异的高吸收率和宽角度性能(图14e)。有序孔阵列结构也可用于精确调控中红外光谱。Liu等人通过机器学习辅助的逆向设计方法，开发了一种兼具激光与红外隐身功能以及高效辐射制冷性能的超表面(图14f)。最终生成的超表面顶部为锗孔阵列，底部为铝薄膜，两者之间由铝掺杂氧化锌(AZO)层隔开(图14g)。Dang等人则通过组合三个功能模块，引入了一种多功能器件(图14h)。该器件在5–8 μm波段产生显著的辐射制冷功率，且随着温度升高，通过该波段的发射功率贡献显著增加，表明其在高温条件下具备红外隐身能力(图14i)。红外相机测试结果显示，该器件辐射温度较低，且在检测范围内有效降低了红外信号强度(图14j)。

图14. a. 四只蝴蝶在0.6 – 0.8 μm波段呈现出反射分裂效应，该效应可为近红外(NIR)探测激光的低镜面反射率设计提供灵感。b. 双层级仿生超材料(BBM)工作原理示意图，展示了其在5 – 8 μm和10.6 μm波段的发射峰值。c. 参考样品与BBM的测量示意图及红外图像。d. 分层超材料(HMM)的结构示意图。e. 频率选择发射器(FSE)在不同入射角下的发射率(左侧为横磁(TM)模式，右侧为横电(TE)模式)。f. 基于机器学习逆向设计优化结构参数的示意图。g. 用于双波长隐身的超表面示意图(左)。1.06 μm处的模拟后向散射强度及6 μm处的磁场强度分布(右)。h. 光子晶体的结构示意图(左)。光子晶体的SEM图像与实物照片(右)。i. 样品在不同温度下于3 – 5 μm、5 – 8 μm和8 – 14 μm波段的辐射功率。j. 红外相机在3 – 5 μm和8 – 14 μm波段捕获的光子晶体与裸二氧化硅的辐射温度。

VI 太空环境

Ibekwe等人报道了一种由聚四氟乙烯(PTFE)和聚氧化乙烯(PEO)组成的聚合物纳米纤维膜，用于空间辐射制冷(图15a)。得益于通过静电纺丝法制备的纳米级特征结构(纳米纤维和纳米珠)(图15b)，当薄膜厚度超过3300 μm时，该混合纤维膜在空气质量为0时实现了超过99%的最大反射率，并在MIR波段具有81.42%的发射率。更重要的是，由于PTFE中稳定的碳-氟键及其高紫外反射率，该薄膜在接受3.11 MJ m⁻2的紫外线辐射剂量后，仍能保持其光学性能(图15c)。Lan等人开发了一种大面积通用辐射制冷二氧化硅气凝胶(UCSA)，用于抑制热传导、反射太阳能量，并在2.5–25 μm波段发射热辐射。UCSA在经历超高真空和严苛的热循环后，仍能保持其低挥发性成分(图15d)。此外，UCSA被设计为卫星保护层，以隔绝热量并阻挡宇宙射线(图15e)。

Chen等人设计了一种全无机磷酸基地质聚合物(PGEO)涂料，该涂料具有无定形地质聚合物网络结构(−Si−O−Al−O−P−O−)。这种独特结构在宽MIR波段实现了适中的高折射率和消光系数，使涂料具有约95%的MIR发射率(图15f)。与有机粘结剂不同，该涂料可通过低聚合P-O四面体单元实现自粘附，形成粗糙多孔的网络结构，表面呈现亮白色，并实现超过90%的太阳光反射率(图15g)。当暴露于空间质子辐射时，与有机氧化锌(ZnO)辐射制冷涂料相比，PGEO涂层表现出出色的光谱稳定性(图15h)。顶层六方氮化硼(h-BN)薄片的面内排列使涂层能够在面内传导热量并在面外隔绝热量(图15i)。顶层h-BN层和底层氧化铝(Al₂O₃)层共同贡献的混合声子极化子使涂层能够在整个热波长范围内以较低厚度吸收大部分MIR辐射(图15j)。垂直方向和水平方向热导率的显著差异有效地将热量从面向太阳的前表面传递到面向寒冷宇宙的后表面，同时隔绝内部热量(图15k)。

图15. a 用于空间低温储存的静电纺丝聚四氟乙烯-聚氧化乙烯(PTFE-PEO)涂层示意图。b 纳米纤维的SEM图像。c 样品在紫外暴露前后的光谱半球反射率。d 超临界碳化硅气凝胶(UCSA)设计方法示意图(上)。大面积UCSA的照片及其在热真空放气测试后的质量变化(下)。e UCSA为航天器应用中的热管理提供了一种有前景的冷却方法。f 地质聚合物的三维网络结构(左)。偏高岭土和磷酸盐基地质聚合物(PGEO)的折射率(右)。g PGEO涂层表面的照片和扫描电子显微镜图像。h 磷酸盐基地质聚合物(PGEO)涂层和有机涂层在空间质子辐照前(虚线)和辐照后(实线)的太阳反射率。i 氮化硼/氧化铝(h-BN/Al₂O₃)双层涂层示意图。j 热传递过程示意图解。k 在0.2–20 μm范围内，具有不同h-BN层厚度的双层h-BN/Al2O3涂层的模拟发射率横截面。

VII 挑战与展望

在本综述中，全面概述了极端环境冷却管理背后的设计原则，并总结了在多种极端条件下热交换通道的具体开启和关闭要求。这包括捕获太阳能、大气逆辐射和环境寄生热的输入热通道，以及涵盖热辐射、水蒸发和相变潜热等机制的输出热通道。虽然前文各部分已详细介绍了针对陆地居住、陆地极端、航空和太空环境而定制的最新进展和具体策略，但总结持续存在的挑战和未来展望对于指导下一代极端环境冷却(EERC)技术的发展至关重要。

尽管近期在极端环境冷却管理领域取得了里程碑式进展，但若干关键挑战仍阻碍着这些技术的广泛应用：(1) 多环境适应性有限；(2) 缺乏动态环境响应能力；(3) 性能不足。应对这些挑战需要聚焦于材料创新、结构设计与系统集成的多学科协同努力。基于所综述的研究，可针对下一代极端环境冷却(EERC)技术提出若干建设性对策与展望(图16)：(1) 多环境耐久性与基底兼容性开发；(2) 可调光谱调控；(3) 混合冷却策略。

希望本综述将有助于理解定制化散热通道与极端环境冷却管理性能之间的关系，并为其未来发展提供指导与见解，助力推动相关创新以应对极端环境冷却管理领域持续存在的挑战。

图16. 下一代EERC前景示意图。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 上交张荻院士等综述：用于极端环境应用的辐射冷却材料