被动辐射冷却材料通过反射太阳光减少热量输入，同时利用大气窗口向外辐射热量，为降低制冷能耗提供了新的材料途径。然而，材料的降温效果不仅取决于太阳反射率和红外发射率，还受到太阳辐照、空气湿度及大气长波辐射等因素的共同影响。干燥环境有利于红外散热，湿热环境中的水汽则会削弱这一通道。同一种孔结构能否适用于不同环境，以及如何根据环境需求设计孔结构，是辐射冷却材料走向实际应用需要回答的问题。蝶翼由鳞片、微腔和多级孔隙构成，其结构与光谱响应在不同生境下呈现差异，为解决这一问题提供了仿生思路。
基于此，中山大学材料科学与工程学院翟文涛教授团队提出了面向不同热环境的梯度多孔辐射冷却薄膜设计策略。研究以热塑性聚氨酯（TPU）为基体，引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和氧化锆（ZrO2），通过熔融共混、热压成膜及CO2物理发泡，制备了沿厚度方向具有“大孔—小孔—大孔”分布的复合薄膜。PMMA相分离形成分散相，ZrO2纳米颗粒增强局部折射率差异，两者与梯度孔结构共同调节太阳光散射和红外热辐射。团队进一步在同一材料体系中调节发泡参数，获得适用于不同热环境的孔结构（图1）。
图1 蝶翼仿生辐射冷却薄膜的设计与制备。
a. 蝶翼的分级结构及热调节示意；b. 复合薄膜制备过程；c. 多尺度结构的光谱调节机制；d. 薄膜实物及梯度孔结构；e. 面向不同环境的孔结构设计思路。
围绕梯度孔结构如何改善光谱响应，以及如何根据环境选择孔结构，本研究从以下方面展开。
1. 梯度孔结构与多重界面协同调节光谱：薄膜的太阳光散射能力与孔径及界面尺度密切相关。较小的孔隙和界面结构有利于短波段散射，较大的孔隙则能够维持近红外波段的散射响应。厚度方向上的梯度分布将不同尺度的散射单元组织在一起，改变光在薄膜内部的传播路径，增强宽波段太阳光的后向散射。PMMA分散相进一步增加内部散射界面，ZrO2则提高局部光学对比度，从而形成多尺度、多界面协同作用的散射网络。
光谱测试表明，优化后的G-TPU/PMMA/ZrO2薄膜太阳反射率达到96.4%，红外发射率达到98.5%。作为对照，非梯度TPU/PMMA/ZrO2多孔薄膜和未添加ZrO2的梯度TPU/PMMA多孔薄膜，其太阳反射率分别为85%和87%。散射模拟进一步表明，梯度结构能够在更宽的孔径与波长范围内保持较强散射。红外光谱分析则显示，聚合物链段的特征振动为热辐射提供了基础。上述结果说明，孔结构、聚合物分散相和无机颗粒的合理组合，有助于同时减少太阳热输入并维持较强的红外散热能力（图2）。
图2 梯度多孔复合薄膜的光谱响应与调节机制。a. 不同薄膜的反射率和红外发射率光谱；b. 特征尺寸分布；c、d. 梯度与非梯度结构的散射模拟；e. 色度坐标；f. 红外吸收光谱；g. 分波段光谱响应；h. 不同角度下的光学性能。
2. 面向不同热环境的孔结构选择：研究进一步比较了不同生境蝶翼的微观结构，并将其结构与光谱的对应关系转化为人工薄膜的设计依据。通过在制备阶段调节发泡参数，团队构建了大孔富集型（E-SG）、均衡梯度型（B-SG）和致密小孔富集型（R-SG）三类结构。在可调辐照、温度和湿度的气候舱中，三类薄膜在相同条件下同步测试，每种环境独立重复三次。结果表明，E-SG在强辐照、低湿度条件下温度最低，B-SG在中等辐照和湿度条件下更具优势，R-SG则在湿热条件下表现最佳（图3）。三类孔结构的降温优势随环境而变化。
图3 不同环境下的孔结构设计及验证。a. 不同生境蝶翼及其微观结构；b. 三类薄膜的孔结构分布和SEM图像；c. 气候舱示意；d. 三种代表性环境的湿度与辐照设置；e. 各环境下的温度比较。
团队还采用EnergyPlus模拟了九个代表性城市的全年建筑能耗。结果显示，以制冷需求为主的城市更有利于获得节能收益；寒冷地区增加的采暖需求则可能抵消部分甚至全部制冷收益。因此，材料选型还需综合考虑当地的制冷与采暖需求。
该研究将聚合物物理发泡、仿生孔结构设计与环境需求相结合，为不同地区的辐射冷却材料选型提供了依据。相关成果以“Butterfly-Wing-Inspired Pore Architecture Adaptation for Environment-Guided Radiative Cooling Film”为题发表于《Advanced Functional Materials》（2026，e78274）。中山大学材料科学与工程学院2023级博士研究生王俞舒与杨云岚为共同第一作者，翟文涛教授为通讯作者。研究得到国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划等项目支持。
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