课题组科研进展《Adv. Mater.》：耐裂痕、自修复功能的被动辐射冷却材料

被动辐射冷却（PRC）作为一种可持续的零能耗解决方案，正在应对全球变暖引起的日益严峻的环境与能源挑战。近年来，通过多种化学和物理结构设计手段，研究人员主要致力于显著提高太阳反射率和大气窗口发射率，以在减少太阳加热的同时有效地将多余热量辐射至外太空。然而，PRC材料在户外环境中存在的一些不可控问题常常被忽视。其中一个关键问题是，PRC材料在长时间户外暴露过程中，因材料降解、热疲劳、机械磨损或意外损伤等原因，易产生微裂纹；在应力作用下，这些微裂纹还会扩展为更大面积的表面裂纹和缺陷，从而严重威胁其反射太阳光的性能。裂纹缺陷会改变材料的表面及内部结构，增加与太阳光的相互作用，导致受损区域对太阳能的吸收或透射增强。这不仅降低了辐射冷却功率，同时也加速了相关系统的退化并缩短了使用寿命。针对上述问题，亟需发展具有自修复和耐裂性质的PRC材料，这种材料应能在室温下自主抑制裂纹的发展，但这仍是一项重大挑战。

赋予辐射冷却金属或陶瓷材料自愈合特性存在固有挑战，修复条件也远远超出典型工作条件。相比之下，高分子材料体系由于分子结构可设计性强以及诱导分子运动所需温度较低，在实现室温环境下自修复和耐裂方面展现出更大潜力。然而，同时实现化学结构和光子结构的最优平衡仍面临诸多挑战。例如，单体和链段的选择非常关键，因为引入动态键（如芳香族基团、C=N键等）可能在太阳能吸收与动态相互作用之间产生权衡。此外，传统的多孔结构或大量填充散射体结构（通常用于提高PRC材料的太阳反射率）可能显著影响分子链运动，阻碍相邻大分子间的动态重组，并引入界面缺陷，从而削弱室温下的自修复能力和耐裂能力。

在最近的研究中，我们深入探讨并量化评估裂纹对辐射冷却性能的影响，提出合成一种动态且抗裂的聚合物/填料氢键网络，为解决辐射冷却材料中光学性能、动态性与耐裂性之间的协同优化难题提供了新策略，使得辐射冷却材料更加适合日益复杂、动态和长期暴露的户外应用场景。

首先，我们从几何光学和波动光学的角度探讨了裂纹对太阳反射率及辐射冷却性能的影响。表面划痕会引入显著的干涉与衍射效应，使反射波前变得不平行且失去相位一致性，导致太阳反射率降低和太阳能吸收增加。当划痕加深发展为穿过整个样品的裂纹时，由于透过率增加，太阳反射率会进一步下降。研究结果表明，深度超过10微米且宽度超过2微米的划痕会使局域反射率降至80 %以下，而当裂纹完全穿透材料时，反射率甚至降至50%以下。这些显著的下降使得即便是具有100 %发射率的被动辐射冷却材料也难以实现有效的冷却。

图一 裂纹对太阳反射率和辐射冷却功率的影响

图二 大分子到复合结构的设计

我们通过采用动态化学和分子振动理论进行大分子聚合物设计，合成了一种超低太阳吸收、高红外发射且具备室温自愈合能力的被动辐射冷却材料。随后，基于界面化学和米氏散射理论对散射体进行了合理筛选，低含量的散射颗粒显著提高了抗裂性与太阳反射率，同时保持了良好的室温自修复能力。具体来讲：在分子结构方面，我们设计了具有高大气窗口发射率的聚二甲基硅氧烷软段，并引入了两个非共轭且松散堆积的氢键基团；在复合材料结构中，低含量的氮化硼介电颗粒既作为太阳光散射体，又作为氢键受体。从大分子到复合材料结构的设计使得分子链之间以及分子链与散射体之间形成了动态且抗裂的氢键网络，从而在室温下自主抑制裂纹扩展。

图三 自修复和抗裂性分析

该复合材料展现了高红外发射率（> 95%）、强太阳反射率（> 93%）以及卓越的自愈效率（> 97%）。这使得材料能够完全修复从微米到毫米级的裂纹缺陷，并充分恢复光学性能和实际的户外辐射冷却性能。此外，聚合物/填料网络内的多尺度应力耗散显著提升了断裂能至865%，是传统硅胶基辐射冷却材料的十倍以上，从而使其通过裂纹钝化以及裂纹偏转有效抵抗裂纹快速扩展，防止由此产生的不可逆冷却失效。

图四 户外被动辐射冷却应用及性能

相关成果以“Crack-Resistant and Self-Healable Passive Radiative Cooling Silicone Compounds”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。文章第一作者是四川大学高分子科学与工程学院的博士生郭聪，四川大学副研究员吴凯为本文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（52373042、52103091）、国家重点研发计划（2022YFB3806900）、四川省自然科学基金（Grant No. 2024NSFSC1025）、四川大学中央高校基本科研业务费专项资金（2024SCUQJTX015）和四川大学优秀青年教师名师名校访学计划的支持。

原文连接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202500738