在印尼和泰國的火山地區，地面溫度高達70攝氏度，而在這樣惡劣的環境下，卻活躍著一種昆蟲——長角甲蟲。這種甲蟲的翅膀上有微小的三角形結構，不僅能夠反射太陽光，還可以幫助其散發體內的熱量。

受其啟發，來自上海交通大學、美國得克薩斯大學奧斯汀分校以及瑞典皇家理工學院組成的一支研究團隊，基于刻蝕旋涂真空熱固化的新方法，仿生制備出具有長角甲蟲類似結構的柔性薄膜，在被動式輻射降溫的同時，實現了輻射降溫薄膜的宏量制備。

相關研究近日發表在美國《國家科學院院刊》上。

長角甲蟲帶來靈感

在自然界中，一些生物具有特殊的表面結構，通過被動輻射，表現出驚人的熱調節能力。長角甲蟲就是其中一種。

“我們在昆蟲館偶然發現這種甲蟲外表呈現金色的光澤，這引起了我們的關注。”論文作者之一、上海交通大學材料科學與工程學院教授周涵告訴《中國科學報》，長角甲蟲大多生活在溫度很高的火山口附近，這也引起了他們的興趣，并對其微觀形貌、光學、熱學特性進行了系列的研究，最終發現了一些新奇的特性。

研究人員首先觀察了長角甲蟲前翅的微觀結構，發現其前翅表面長滿了絨毛，密度達每平方厘米2.55萬根以上。前翅的顏色也可以有效地抵御褪色處理，展現出光子晶體的結構色特征。

他們又通過進一步的觀察發現，每根絨毛都是由兩個光滑面與一個粗糙面組成的三角形結構，粗糙面是寬度為1微米、高度為0.18微米的波紋型結構，與絨毛本身構成了多級粗糙結構。

在掌握了前翅表面的微觀結構之后，周涵等人又對其光學性質與溫度調節能力進行了研究。通過觀察前翅在有無絨毛情況下的反射情況發現，絨毛可以將光線反射率提高35 %以上。通過乙醇溶液的浸沒實驗則進一步確定了高反射率是得益于絨毛表面存在的多級微觀結構。

時間—溫度曲線也表明，表面絨毛具有顯著的降溫作用，在真空與空氣中分別達到3.2攝氏度與1.5攝氏度的溫度降幅。這種出色的溫度控制能力，有利于昆蟲在高溫、陽光暴曬的環境中進行日常覓食活動。

“長角甲蟲具有可見近紅外高反射特性和中紅外波段高發射特性，能有效地進行表面降溫，使其具有耐熱能力。”周涵補充道。

制備仿生薄膜

基于對長角甲蟲前翅表面結構及溫度控制能力的研究，研究者們力圖制備出具有類似結構的仿生輻射降溫薄膜。周涵告訴記者，仿生類似長角甲蟲的結構，難點就在于精準制備微觀結構以及實現大面積的制備。

在制備過程中，研究人員首先利用光刻法制備具有三角形結構的硅模板，然后再將含有有機硅與氧化鋁微球的前驅體溶液旋凃于模板表面，熱聚合后分離得到表面為三角形的微結構薄膜。此種方法，可以實現薄膜的大尺度、宏量制備，并且具有一定的通用性，可實現氧化鋅、氧化鋯、氧化鎂、二氧化鈦等多種陶瓷顆粒的摻雜。

在得到了仿生薄膜后，研究人員又對其性能進行了測試，結果顯示其在太陽光譜范圍內的平均反射率約為95%。薄膜實際制冷能力評估結果顯示，在平均太陽強度約862 瓦/平方米、濕度為22.7%的條件下，仿生薄膜的平均溫度降為5.1攝氏度，最大溫度降為7攝氏度。

“我們在制備前對甲蟲的微觀結構進行了仿真模擬解析，對結構進行了改造優化，使得中紅外發射率更高。”周涵表示，他們經過理論研究提煉出優化的仿生結構模型，揭示了其機理。在此基礎上，通過效仿優化結構模型的仿生機理，使得仿生薄膜具有類似的功能。研究人員還通過結構優化、功能材質復合，使得仿生薄膜的光學、熱學性能更優。

被動輻射制冷前景可期

據統計，我國建筑能耗約占全國總能耗的35%，而制冷空調系統的能耗又占建筑能耗的50%~60%左右。現有的制冷技術大都基于蒸汽壓縮制冷，該技術需要消耗大量電力。因此，制冷技術已經成為能耗大戶，技術亟須更新換代。

學習自然，制備特殊的表面結構，實現被動輻射制冷，無疑是一項極具前景的技術。仿生薄膜不僅可以自行冷卻，還可以將周圍環境與膜所覆蓋的設備或熱體的溫度顯著降低。

周涵表示，未來，仿生薄膜可以用于被動輻射冷卻領域，無須外加電源，如建筑物降溫、水系統冷卻、荒漠治理、太陽能電池熱管理等。此外，除了實現輻射制冷，這種仿生薄膜的柔韌性和疏水性也為其在各種可穿戴設備、個人電子設備以及車輛中的應用奠定了基礎。

“未來要想大規模應用，還需要擴大生產規模和產品規格，并進一步降低成本。”周涵表示，這種被動輻射制冷的熱調控技術無疑更加節能環保。這一工作也為后續基于高性能光子輻射器的輻射冷卻技術的大規模生產鋪平了道路。

來源：中國科學報 作者：李惠鈺