随着全球能源危机与气候变暖问题日渐严峻，冷却需求急剧上升，目前已占全球电力消耗的约10%。被动日间辐射冷却（PDRC）作为一种零能耗技术，通过大气透明窗口（8–13 μm）向寒冷宇宙辐射热量并反射太阳光，展现出巨大潜力。然而，静态光子结构在不同热环境中面临红外发射光谱需求不一致甚至相互冲突的挑战，例如建筑亚环境冷却需要选择性红外发射，而电子设备超环境冷却则需要宽带发射。这种光谱矛盾严重限制了静态辐射冷却材料的广泛应用，亟需开发能够自主切换光谱的动态材料。

　　近日，东华大学毛志平研究员、徐红研究员合作成功研发了一种自切换动态红外辐射冷却器（DIRC），实现了亚环境、近环境与超环境的三重模式温度调控。该DIRC利用热响应水凝胶中水分子的温度触发定向迁移，实现了从亚环境冷却所需的选择性红外发射到超环境冷却所需的宽带发射之间的光谱转换。该材料在2.5–25 μm波段平均宽带发射率达94.1%，并能自适应切换至8–13 μm波段选择性发射率81.6%，同时在整个光谱转换过程中保持约90%的太阳反射率。光谱切换迅速且自主，响应时间在35–45 °C范围内介于37.3至85.6秒之间。在实际应用中，DIRC分别实现了建筑亚环境降温9.5 °C、人体近环境降温7.0 °C以及光伏板超环境降温6.9 °C，突破了静态辐射冷却器的单一场景与气候限制。相关论文以“Self-Switching Dynamic Infrared Radiative Cooler Enabling Triple-Mode Temperature Regulation”为题，发表在

　　图1展示了DIRC的整体结构设计、工作原理及其在三重模式温控中的应用。该多层超材料由纳米多孔聚乙烯（PE）薄膜、聚甲醛（POM）纳米纤维织物和热响应互穿聚合物网络（TIPN）水凝胶组成，具备高太阳反射率、动态红外发射调控以及大气水分收集与供应能力。DIRC可依据环境温度与目标物体温度的关系，自主切换选择性或宽带红外发射模式，分别适用于建筑内部（24–30 °C）、人体舒适区（33–37 °C）和光伏板高效运行区（40–50 °C）等不同温区的冷却需求。

　　图1： 动态红外辐射冷却器（DIRC）的结构设计、性能与应用示意图。（A）选择性与宽带红外发射模式的辐射传热过程示意图。（B）DIRC多层结构组成，包括纳米多孔聚乙烯（PE）薄膜、聚甲醛（POM）纳米纤维织物和热响应互穿聚合物网络（TIPN）水凝胶。（C）DIRC的性能特点，包括高太阳反射率、动态红外发射调控、水分收集与供应能力。（D）DIRC的三重模式温度调控应用：建筑亚环境冷却、人体近环境冷却和光伏板超环境冷却。目标冷却对象的温度区间（建筑内部24–30 °C、人体舒适33–37 °C、光伏板高效运行40–50 °C）基于典型夏季环境和温度35 °C设定。

　　图2深入揭示了DIRC的动态红外发射机制及其大气水分收集能力。通过温度调控的分子振动工程，DIRC在亚环境条件下由POM纳米纤维中C–O–C键振动主导选择性发射；在超环境条件下，TIPN水凝胶发生疏水塌陷，释放水分子至POM层，引发O–H振动带拓宽，转变为宽带发射。分子动力学模拟显示，随着温度升高，水分子扩散系数增加，氢键数量减少，促使水分子定向排出。TIPN水凝胶还具备优异的大气水分吸附能力，可在不同湿度下快速吸水并实现循环使用，确保了光谱转换的可持续性。

　　图2： DIRC的动态红外发射机制与大气水分收集能力。（A）设计原理与（B）基于温度调控分子振动工程的动态光谱调节机制。（C）POM分子的ATR-FTIR曲线。（D）具有可控相变温度的TIPN水凝胶的DSC曲线。（E）不同温度下PNIPAM与水分子的扩散系数。（F）不同温度下PNIPAM与藻酸钙的平均氢键数量。（G）TIPN水凝胶在25至40 °C温度下10 ns内的分子轨迹分析。（H）不同加热温度下TIPN水凝胶的质量损失。（I）不同湿度下DIRC的吸水率。（J）DIRC在吸附（RH≈80%）/解吸（RH≈30%）循环中的性能曲线详细呈现了DIRC的动态光学性能。在选择性发射模式下，DIRC在8–13 μm波段平均发射率为81.6%，而在宽带发射模式下，全波段发射率高达94.1%。POM纳米纤维织物与纳米多孔PE膜的协同作用，使材料在两种模式下均保持约90%的高太阳反射率。通过有限时域差分模拟优化纤维直径与层厚，进一步提升了光学性能。模拟计算还表明，在亚环境条件下，选择性发射模式比宽带模式降温效果更优；而在超环境条件下，宽带发射模式则表现出更强的散热能力。

　　图3： DIRC的动态光学性能。（A）DIRC在选择性与宽带发射模式下的太阳反射率与中红外发射率。（B）选择性与宽带发射模式下DIRC的发射率比值。（C）DIRC动态红外光谱的响应时间。（D,E）浓度为5 wt.%与10 wt.%的POM纳米纤维织物的SEM图像。（F,G）对应浓度下POM纳米纤维的直径分布。（H,I）纤维直径在200–2000 nm范围内，在0.25–2.5 μm与8–13 μm波段的散射效率模拟。（J）纳米多孔PE膜的中红外透射率。插图：其水接触角。（K）有无纳米多孔PE膜时DIRC在选择性与宽带模式下的太阳反射率。（L）在亚环境与超环境条件下，选择性与宽带发射模式下DIRC的温度分布模拟。（M,N）选择性与宽带发射模式下DIRC的净辐射冷却功率计算。

　　图4通过户外实验验证了DIRC的实际冷却性能。在亚环境测试中，DIRC比静态选择性冷却器低2.1 °C；在超环境测试中，比宽带辐射冷却器低4.0 °C。结合蒸发冷却效应，DIRC的净冷却功率高达654.9 W m⁻²，远高于单一辐射冷却器的109.4 W m⁻²。在不同湿度条件下，DIRC均表现出优于单一模式冷却材料的性能，体现了其在不同气象条件下的强适应性。

　　图4： DIRC的户外辐射冷却性能测试。（A,B）户外冷却性能测试装置示意图与实物图。（C,D）亚环境与超环境条件下不同冷却材料的实时温度曲线。（E,F）在不同环境和温度与相对湿度下，纯辐射冷却器（POM纳米纤维）与复合冷却器（DIRC）的温降计算。（G）复合冷却器与纯辐射冷却器的温度差计算。（H）复合冷却器的净冷却功率计算。（I）DIRC与POM纳米纤维的实际冷却功率测量。（J）2025年4月9日至11日连续三天户外实验中DIRC的实时温度变化。

　　图5展示了DIRC在近环境与超环境冷却中的实际应用。在人体热管理中，DIRC可根据皮肤与环境和温度的关系自主切换发射模式，保持体表温度在舒适区间。户外测试中，DIRC背心与袖套在晴天与多云环境下均显著优于棉质服装，即使在剧烈运动出汗条件下也能维持更低的微环境和温度。此外，DIRC应用于光伏板底部时，可实现6.9 °C的降温，有效提升发电效率与设备寿命。

　　图5： DIRC在近环境与超环境冷却中的应用。（A）DIRC用于人体近环境辐射冷却的工作原理示意图：（i）皮肤温度高于环境和温度时启动宽带发射；（ii）环境和温度高于皮肤温度时切换为选择性发射。（B）DIRC、POM纳米纤维织物与棉布的实时温度对比。（C）人体在都市热辐射环境中的示意图。（D）垂直方向户外测试中不一样的材料的冷却性能对比。（E）晴天与多云环境下志愿者穿着DIRC与棉背心的光学与红外图像。（F）不同户外活动中穿着棉袖与DIRC袖的表面温度对比。（G）光伏板超环境冷却实验装置示意图。（H）有无DIRC覆盖的光伏板温度对比。

　　图6评估了DIRC在建筑节能方面的潜力。作为建筑外围结构材料，DIRC通过高选择性发射与低非窗口吸收，明显降低了建筑表面与室内温度。在全国多城市能耗模拟中，DIRC选择性发射模式年冷却能耗最低，较参考建筑节能24.7 MJ m⁻²。实际屋顶模型测试中，DIRC覆盖层室内温度比未覆盖模型低9.5 °C，展现出优异的建筑节能效果。

　　图6： DIRC在建筑节能中的应用。（A）DIRC作为建筑外围结构用于亚环境冷却的示意图。（B）中国14个城市中年总冷却能耗对比。（C,D）基于选择性与宽带发射模式的DIRC在全国各城市的年总冷却节能预测图。右下角插图为南海诸岛标准地图要素。（E）参考建筑与DIRC覆盖下屋顶（I、II）与外墙（III、IV）的表面温度对比。

　　综上所述，该研究成功开发出一种具备自适应性光谱调控能力的动态红外辐射冷却器，实现了亚环境、近环境与超环境的三重模式智能温控。DIRC不仅克服了传统静态材料在多变环境下的局限性，还通过辐射与蒸发的协同效应大幅度的提高了冷却功率，为建筑节能、人体舒适管理与高效电子冷却等领域提供了创新解决方案。这一成果为零能耗冷却技术的广泛应用开辟了新的道路。

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