光学超材料有望实现零能耗降温

人们在烈日环境下常常感到炎热难耐，最主要原因是太阳在源源不断地将大量热量辐射到人体。

物体与环境的热量交换方式包括热对流、热传导和热辐射。其中，人体热辐射主要在7—14微米的中红外波段，与大气透明窗口8—13微米波段基本重叠。因此，人体的热量可以通过大气透明窗口以热辐射的形式发射到低温外太空。然而，在户外暴晒环境中，尽管辐射散热始终存在，但人体的热辐射功率密度远低于太阳光的辐照度，从而导致皮肤温度上升。

如何有效避免大量外部热量的输入？非洲撒哈拉沙漠银蚁三角形毛发的独特结构给了科学家们新的灵感：它们的毛发可以反射太阳辐射中大部分的可见近红外光，同时增强中红外波段发射率，从而避免体表过热。然而，人们的常规衣物并不具备与这种特殊毛发结构类似的光热调控功能。因此，越来越多的科研人员思考如何通过对材料微观光调控结构的设计，来实现对太阳光波段至中红外波段的宽光谱调控，从而得到具有光热调控功能的超结构材料。

人们在户外生产作业时将不可避免地暴露在高温暴晒环境中，而建筑内部空调系统进一步加重了能源消耗和温室气体排放，产生严重的负反馈。那么，如何在缓解极端高温对人体健康危害的同时，减少大量能源消耗，成为亟需解决的问题。在我国“双碳”绿色发展潮流下，无源降温的新思路引起了科研界、产业界以及社会的关注。

我们的多学科交叉团队研发了一种基于形态学分级设计的无源降温超材料技术，可在户外暴晒环境下为人或物实现高效、可持续、零能耗的降温。该技术制备的超材料织物由随机光学超材料体系组成，内部包含大量随机分布的、波长或亚波长尺度的微纳散射体，因此可以在特定的波段提供宽谱散射，拓宽了随机结构的光谱响应范围，最终实现紫外—可见—近红外波段，以及中红外波段的宽光谱精准调控。该超材料织物具有高达92.4%的太阳反射率和94.5%的中红外发射率，可为人体皮肤降温近5℃，为汽车模型内部降温近30℃。

在暴晒环境下，超材料织物如同一个为光线精心设计的迷宫。入射的太阳波段光线经多次折射拐弯后，大部分被反射出去，无法到达皮肤。而人体热量则可以通过织物表面，以热辐射的形式传输到寒冷的宇宙空间实现无源降温。此项研究成果已在国际顶级学术期刊《科学》上发表。

批量制备的超材料纤维和织物，可通过刺绣、裁剪、缝纫等简单工艺融入日常生活的各类产品中。此外，该织物可制备成防晒服、帐篷、汽车罩、伞等多种产品，在实际使用时可适应任意物体表面，从而保护暴露在阳光直射下的人体和物体免受高温伤害。我们的团队已与企业合作建立了“从一颗高分子颗粒到一块布”的科研流程，成功实现万吨级纤维的生产工艺开发，并织造了亲肤舒适的面料，展示出巨大的商业潜力。

光学超材料织物克服了长期以来难以将实验室规模的热管理织物，应用于实际场景的挑战，有效推动了传统纺织工业的创新与发展。零能耗降温新材料技术可以针对实际应用场景需求，实现包括薄膜和涂料等多种高分子材料器件的高效降温功能，在未来有望服务于户外施工、医疗健康、体育运动等多领域需求。

（第一作者系华中科技大学光学与电子信息学院教授，第二作者系华中科技大学同济医学院附属同济医院教授，第三作者系华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院教授）