北科大王存海/哈工大王富强等综述: 动态辐射制冷—智能热管理的机制、策略和应用

Dynamic Radiative Cooling: Mechanisms, Strategies, and Applications for Smart Thermal Management

Yan Dong, Bo-Xi Tian, Cun-Hai Wang*, Guo-Liang Zhang, Feng-Jiao Hua, Wei-Feng Meng, Chun-Zhe Li, Yu-Ying Yan, Zi-Ming Cheng*, Fu-Qiang Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 146

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01981-0 

本文亮点

1. 本文系统地总结了动态辐射制冷技术的最新进展，涵盖了从基本物理原理到内在分子和电子机制，再到代表性材料体系。

2. 深入探讨了主动响应材料、被动响应材料和多刺激响应材料中动态辐射制冷技术的创新设计。

3. 全面分析了动态辐射制冷技术当前面临的挑战和发展趋势，为该领域的进一步研究提供了参考和指导。

研究背景

辐射制冷技术利用材料在大气窗口波段(8-13 μm)的高发射率与外太空进行热量交换，无需额外能耗即可降低材料表面温度，在建筑节能、个人热管理、电子器件散热等场景备受关注。但传统被动辐射制冷材料往往是“制备后光谱固定”的静态体系，面对昼夜/季节变化、湿度波动、太阳辐照变化等复杂工况时难以实现自身辐射特性的动态调控。随着现代能源技术和热管理策略的不断发展，动态辐射制冷(DRC)技术作为一种新兴方法引起了人们的广泛关注，该方法让材料/器件能随环境或外部刺激动态切换辐射光谱特性，以更好适配真实场景中的非稳态热需求，具有适应环境变化的高效节能潜力。

内容简介

作为一种新兴的热管理策略，动态辐射制冷(DRC)技术能够通过定向设计材料的光谱特性，在不同的环境条件下动态调节光谱辐射特性。然而，目前仍缺乏对DRC材料辐射传热基本物理机制以及动态辐射热调控相关设计原则的全面综述。在此基础上，烟台大学东岩&北科大王存海&哈工大王富强/程子明等人系统地总结了该领域的最新进展，涵盖了从基本物理原理到内在分子和电子机制，再到代表性材料体系和多波段调控策略，重点介绍了跨学科研究成果和技术创新。本文首先概述了辐射换热过程中不同光谱波段调控的核心机制。随后系统地综述了DRC材料的主要分类，包括主动响应结构、被动响应结构和多刺激响应材料。此外，本文还总结并讨论了当前DRC技术面临的挑战和未来的发展趋势，为该领域的进一步研究提供了有价值的参考和指导。尽管DRC技术在材料稳定性、制造工艺和系统集成方面仍面临挑战，但相关领域的不断进步有望在未来拓宽DRC的应用前景。

图文导读

I 辐射制冷技术的多样化发展

被动日间辐射制冷技术因其无需外部能量输入即可实现温度降低的独特能力而备受关注，其完全依赖于辐射传热。这种被动且可持续的机制在能源利用、热调节和可持续发展中发挥着关键作用。如图1所示，被动日间辐射制冷技术的发展历程可概括为材料设计、性能提升、实际应用和功能扩展四个阶段。

图1. 辐射制冷技术的发展历程。

被动日间辐射制冷技术在各种应用中显示出巨大的潜力，包括节能建筑节能、个人热管理、食品和化学品存储、电子设备热调节等。图2展示了辐射制冷材料主要类别的示意图，直观地展示了当前被动日间辐射制冷技术的研究基础和发展历程。随着现代能源技术和热管理策略的不断发展，动态辐射制冷(DRC)技术作为一种新兴方法引起了人们的广泛关注，该方法能够动态调节辐射特性，从而在不同的环境条件下实现自调节。

图2. 辐射制冷材料主要类别的示意图，包括结构、功能、动态调控和实际应用。凭借其在光谱选择性和被动散热方面的独特优势，辐射制冷材料在众多领域展现出广阔的发展前景。其多元化发展植根于物理学、材料科学、传热学和化学等学科的交叉融合，这些学科共同为该领域的创新和进步提供了“养分”。

II 动态辐射制冷技术的原理及需求

动态辐射热管理涵盖从由紫外线、可见光和近红外组成的太阳光谱到包含中波红外和长波红外的宽带红外光谱，对于光谱辐射特性的定向设计至关重要。不同应用场景对光谱辐射特性的要求差异显著。

图3. 动态辐射制冷对不同场景的理想光谱。

热辐射作为一种电磁过程，由物体内部带电粒子的热振动和量子跃迁驱动，是物体表面以光子形式进行能量转移的基本机制。在太阳光谱波段，主要机制包括无机介电材料中的电子激发、金属材料中自由电子的振动和加速以及聚合物中的振动跃迁。在红外光谱波段，主要机制是化学键或官能团的分子振动以及极性介电材料剩余射线带内的声子-极化子共振。通过策略性地结合这些不同的激发机制，可以实现对宽波长范围内辐射特性的有效调控。

图4. 辐射特性调控的基本原理。

III 主动调控的动态辐射制冷材料

尽管DRC技术的冷却能力可能不如传统的辐射制冷技术，但DRC的优势在于其与复杂环境(温度差异、湿度波动和太阳辐照度变化)的兼容性。为此，人们提出了多种调节机制。这些技术使材料能够响应外部刺激而改变其光谱选择性，从而实现动态辐射特性调控。根据调节过程中是否消耗能量，动态辐射热管理可分为主动响应和被动响应。主动响应最显著的特点是其激活时机由管理者控制，不受环境波动的影响，但代价是需要消耗外部能量。主动响应是指通过电场、机械场和磁场等外部刺激来调节材料的光谱辐射特性。它具有响应速度快、调节精度高的优点，但需要额外的能量输入和复杂的控制系统。

电响应调控是最典型的动态辐射热管理技术，它通过施加电压或电流来改变材料的内部电子分布或能带结构，从而实时调节材料的光学和热学性质。该机制主要基于电致变色效应或电化学掺杂机制，通过控制自由载流子浓度或离子嵌入/脱嵌来调节光学常数和热辐射性质。电致变色材料在电刺激下表现出卓越的光学调控能力的精确控制、低驱动电压和超快的切换速度，在热辐射调控方面具有巨大的应用前景，其关键方法包括可逆电沉积金属和导电金属氧化物、共轭导电聚合物以及价态切换金属氧化物。

图5. 基于电响应的主动DRC材料。

机械驱动调控利用机械力作为外部刺激来改变材料的内部结构、微观排列或几何形状，从而改变其对光和热辐射的散射能力。翻转、旋转、压缩和拉伸等机械刺激是操控材料状态最常用的方法之一，主要涉及弹性材料、薄膜材料和Janus材料。例如，在薄膜材料中机械弯曲可以改变表面形貌，从而调节光谱辐射特性。弹性材料在受到机械力作用时，其分子间距或排列会发生变化，导致其光谱辐射特性发生改变。此外，诸如褶皱薄膜和微/纳结构表面等机械形变材料，会在机械力的作用下发生几何重构，从而实现对其光学性能的动态调控。

图6. 基于机械响应的主动DRC材料。

磁驱动调控利用外部磁场改变磁性材料的排列或磁化状态，从而影响其光学和热辐射特性(例如透射、衍射、偏振和等离子体特性)。该方法基于磁光效应、磁致相变或磁场诱导的微观结构变化等原理。磁驱动调控的主要优势在于其非接触性和高效率，使其在磁光器件、磁传感器和智能窗等领域具有巨大的应用潜力。

图7. 基于磁响应的主动DRC材料。

IV 被动调控的动态辐射制冷材料

动态辐射热管理的被动响应是指利用材料固有的特性或其呈现形式，实现对环境温度、湿度等变化的自适应调节机制。被动响应无需额外的能量输入，结构简单、成本低廉，但响应速度相对较慢，调节精度也有限。例如，相变材料可以响应温度波动而发生结构转变，从而实现辐射特性调控。随着对光谱辐射特性动态控制需求的日益增长，各种被动调节策略应运而生。其中，温度响应型被动响应因其直接利用温度变化动态调节光谱辐射特性并能与热管理系统无缝集成而得到广泛推广。

热驱动响应利用温度变化作为外部刺激，诱导材料内部结构、相态或化学性质发生改变，从而实现对其光学和热辐射特性的动态调控。例如，高温可能引发相变，导致特定波长范围内吸收或反射发生显著变化，或者诱导热膨胀效应，从而改变材料的微观结构。热响应材料可分为两种主要机制：一种是直接改变材料的固有特性，另一种是依赖于温度驱动的介电环境变化。第一种方法主要应用于热致变色材料或热响应纳米材料。热致变色材料，例如VO₂、液晶聚合物和热敏染料，在特定温度范围内会发生相变或分子重排，从而调节其辐射特性。类似地，液晶聚合物在特定温度下会发生分子排列变化，这直接影响其透明度或散射行为。另一方面，具有热膨胀/收缩机制的材料(例如热响应水凝胶和形状记忆聚合物)会随温度变化发生体积或形态改变，从而调节其光谱辐射特性。例如，水凝胶在高温脱水时会收缩，导致微观结构改变，进而影响其散射或吸收特性。

图8. 基于温度响应的被动DRC材料。

在电磁波传播路径中引入与入射波长尺度相同的介电函数差异界面，可导致电磁波传播路径发生偏转。实现空间动态辐射调控的最简单方法之一是将折射率与本体材料相近的多孔材料浸入液体介质中。当孔径与入射波长相当时，孔隙边界处材料与空气之间的高折射率对比度会产生强烈的米氏散射效应，从而导致高太阳反射率。然而，当孔隙中填充与材料折射率相匹配的液体时，折射率对比度的急剧降低会削弱米氏散射效率。将这种机制与湿度响应型多孔材料相结合，可以实现动态辐射热管理。除了上述温度或湿度依赖性可逆孔隙结构外，形状记忆材料还提供了一种宏观尺度可逆热辐射调节的替代方法。这种策略尤其有利于个人热管理。一种简单的实现方法是使用热开关，例如镍钛合金弹簧，它可以在低热阻和高热阻状态之间切换。对于温度引起的形变，聚丙烯等材料利用其热膨胀特性来调节热辐射。此外，还可以利用膨胀聚合物中光子带隙的变化来实现动态透射率切换。形状记忆结构还可以与湿度控制机制相结合，以防止辐射散热并提高加热效率。在潮湿环境下材料自动打开，促进对流、辐射和汗液蒸发，从而有助于散热。金属层的加入不仅可以增强尼龙等材料的柔韧性，还可以抑制人体的中红外辐射。

图9. 基于结构变化的被动DRC材料。

V  总结与展望

动态辐射制冷技术作为一种新兴的辐射热调控策略，能够在不同的环境条件下通过对材料进行光谱调控实现自适应的被动冷却。本文全面综述了DRC技术的最新进展，涵盖其基本原理、内在机制和各种控制策略。尽管在理论和实验方面取得了显著进展，但DRC的大规模商业应用仍然面临诸多挑战。首先，需要开发兼具智能响应特性和优异热辐射调控性能的先进材料体系以进一步提高材料的环境适应性并拓展其调控范围。人工智能技术在高性能材料的开发中发挥着日益重要的作用，利用机器学习可以快速筛选和优化DRC材料的成分和结构，从而实现热学和光学特性的同步优化。其次，动态辐射制冷技术能够应用于大规模制备中的精确控制。工业应用的主要挑战在于实现大面积、高精度且经济高效的制造。特别是对于电致变色薄膜、水凝胶等材料，亟需开发更稳定、更高效的制备方法。这些材料通常存在耐久性差、大面积均匀性有限以及长期使用过程中性能下降等问题，严重限制了其实际应用。此外，通过与热管理系统无缝集成能够拓宽动态辐射制冷技术的使用范围。实际应用需要与现有的热管理结构兼容，尤其是在建筑、交通和电子设备等成熟应用中，这些系统已经高度优化并深度嵌入到运行框架中。因此，将DRC材料作为独立组件集成通常会遇到实际障碍，不进行大量修改则无法直接与既有设施对接。最后，碳足迹和生命周期评估。开发环境友好型制造工艺已成为当代研究的重点，虽然生命周期评估已广泛应用于工业领域，但在DRC技术的研究中仍然缺乏系统性的方法。通过将刺激响应材料与PRC材料相结合，DRC可以克服PRC固有的光学特性固定和季节性效率低下的局限性。这种适应性使DRC成为建筑、电子产品和人体等下一代智能热管理领域极具前景的解决方案。

图10. DRC技术大规模应用面临的实际挑战和前景。

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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。

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