為通過輻射冷卻實現向寒冷宇宙的散熱，科研人員付出了諸多努力。然而，其應用仍存在局限性：在寒冷環境中存在過冷現象，且在非晴朗天空條件下的效率有所下降。在此，受角蜥自適應能力的啟發，本文研發出一種性能卓越的超薄膜，以應對這些挑戰。這一設計不僅將能量收集拓展至雨天，而且還能在晴天維持熱調節功能。該超薄膜呈現三明治結構，外層由氟化乙烯丙烯/氧化銦錫構成，可實現雨滴發電；中間為熱致變色核心層，能夠進行自我調節的加熱與冷卻。在可見光譜范圍內，其光學對比度超過63%，這使其在炎熱條件下能夠實現低于環境溫度的冷卻效果，在寒冷時則可實現高于環境溫度的加熱功能。此外，該超薄膜展現出高效的雨滴發電性能，能輸出高達208伏的電壓，且具備出色的長期穩定性。這種多功能超薄膜克服了傳統輻射冷卻器的主要限制，為全天候能量收集提供了一種行之有效的綜合解決方案。相關工作以Bioinspired metafilms for all-weather energy harvesting: Adaptive thermal regulation and raindrop electricity generation為題發表在Science Advances期刊。

本文從全球能源消耗及氣候變化問題出發，受角蜥適應能力的啟發，設計了如圖1所示的三明治結構的生物啟發式多功能超薄膜（metafilm），其外層為氟化乙烯丙烯/氧化銦錫，用于雨滴發電，核心層為熱致變色材料，用于自我調節加熱和冷卻。制備了該超薄膜材料，測量了其光譜特性，其在可見光譜中的光學對比度超過63%，在熱環境中可實現低于環境溫度的冷卻效果，在寒冷環境中可實現高于環境溫度的加熱效果。研究了該超薄膜材料的規模化制備、降溫能力和實際應用效果，如圖2所示，通過改變熱致變色材料的化學組成，超薄膜的相變溫度（τc）可在3.4°C至30.1°C之間調節，以滿足不同氣候條件下的熱調節需求。如圖3所示，通過戶外溫度測量實驗，驗證了超薄膜在夏季和冬季不同氣候條件下的熱調節能力。如圖4所示，超薄膜在雨滴沖擊下能夠產生高達208伏的開路電壓，實現了高效的雨滴發電。如圖5所示，通過EnergyPlus模擬和實地測試，評估了超薄膜在全球不同氣候條件下的節能潛力和雨水發電能力，結果表明超薄膜在多種氣候條件下均能實現顯著的節能效果，并在雨水豐富的地區展現出可觀的發電潛力。

圖1.生物啟發型全天候能量收集超薄膜的設計。（A）超薄膜結構。（B）具有紫外線吸收劑摻雜的UVPAA層與不含紫外線吸收劑摻雜的聚丙烯酸酯薄膜的太陽光透過率對比。UVPAA層表現出卓越的光學選擇性，其特征為高可見光透過率和低紫外線透過率。（C）FEP層的太陽光透過率。（D）有無FEP層的超薄膜的接觸角區別。（E）展示實驗室制造的、可擴展的、柔性的超薄膜，其有效面積為1平方米。（F）通過在模型房屋屋頂表面應用這種超材料薄膜，展示其在溫度調節和發電方面的多功能性。

圖2.熱致變色特性。（A）黑色、青色、黃色和品紅色超薄膜的太陽反射率光譜，以無色染料摻雜濃度（質量百分比）為函數，展示了濃度如何影響不同顏色變化的超薄膜的太陽反射率。（B）使用具有不同τc的無色染料制造的超薄膜的差示掃描量熱法特性。這些超薄膜表現出廣泛的τc范圍，從3.4°C到30.1°C，有效地滿足了各種氣候條件下的熱調節要求。（C）青色超薄膜在環境溫度變化時的相變連續圖像，直觀地展示了超薄膜對溫度變化的熱致變色特性。（D）加速老化試驗前后的光學性能。缺少UVPAA層的超薄膜其熱致變色效果顯著下降，而集成UVPAA層的超薄膜在試驗后仍保持其光學對比度和耐光性，突顯了其耐久性。

圖3.室外現場測試，以證明熱調節性能。（A）實驗裝置和環境照片；測試樣品包括四種有效面積為25 cm2、τc為26.5°c、無色染料摻雜濃度為4 wt%的彩色超薄膜。高太陽反射率CPRC用作控制。（B）實驗裝置設計細節示意圖。（C）香港夏季（8月3日10:00至14:00）和冬季（12月25日10:00至14時）的溫度測量。（D）不同氣候城市的溫度測量，迪拜（12月4日13:30至14:30）、上海（1月11日10:00至14:00）、北京（1月6日10:00至2:00）和長春（12月19日13:30到14:30）。

圖4.超薄膜的發電性能。（A）用于發電實驗的裝置照片，（B）開路電壓（VOC），（C）短路電流（ISC），以及（D）外接電阻下的VOC和功率密度曲線，表明峰值功率密度為66.3瓦/平方米。插圖中展示了僅用一滴自來水就能為商用LED燈供電的演示。（E）為經過GB/T 97780-2013標準的防塵測試前后，以及圖（F）為經過ISO 16474-3:2021標準的加速老化測試后，超薄膜的輸出電壓。（G）揮發性有機化合物（VOC）的長期耐久性測試，其輸出在35秒內保持穩定。（H）接觸角對VOC的影響，角度范圍從15°到75°。（I）使用聚四氟乙烯（PTFE）和聚全氟烷氧基樹脂（PFA）作為摩擦電層的設備的VOC對比，表明該設計對不同材料表面具有適應性。

圖5.建筑應用中的全球能量收集性能。（A）建筑應用中用于熱能節約的超薄膜的最優τc。（B）冷卻能量。（C）加熱能量。（D）不同氣候區各城市中應用超薄膜的建筑、應用CPRC的建筑以及普通建筑（未應用超薄膜）的總能耗。（E）表明在建筑中應用超薄膜和CPRC的節能潛力的世界地圖。節能或過度能耗是通過應用超薄膜的建筑與對照建筑之間的熱能消耗差異來估算的。（F）不同氣候區各城市中應用超薄膜的建筑的年能量生成。（G）將超薄膜應用于單個建筑的發電潛力的世界地圖。

小結：本研究設計了一種仿生超薄膜，該薄膜在建筑的自適應能量采集與熱調節領域取得了重大突破。論文所研發的超薄膜在可見光范圍內實現了高達63% 的光學對比度，這一特性使其在炎熱天氣下能夠高效實現低于環境溫度的冷卻效果，在寒冷天氣時則能實現高于環境溫度的加熱功能。基于液滴的發電機制可輸出高達208 伏的高電壓，即使在雨天也能實現能量采集。在多種氣候條件下開展的實地測試表明，該超薄膜在夏季可實現低至3.3°C 的低于環境溫度冷卻，冬季則能實現高達5.1°C 的高于環境溫度加熱。在建筑外應用方面，與CPRC 設計相比，超薄膜展現出更為廣泛的地理適用性。通過在低溫環境下利用太陽能加熱，超薄膜有效解決了CPRC 系統中固有的過冷問題。這些研究結果充分彰顯了超薄膜在革新建筑能源管理模式方面的巨大潛力。在降雨頻繁的地區，如香港，一座采用該超薄膜的建筑每年發電量可達25,000 千瓦時以上。假設每戶家庭每月平均用電量為275 千瓦時，這一發電量足以滿足超過七戶典型三口之家一整年的用電需求。按照每千瓦時0.1 美元的電價計算，這一能源產出可節省約 2500 美元的成本。自適應熱調節功能與能量采集能力的有機結合，預示著建筑圍護結構未來將不再僅僅作為被動的建筑部件，而是能夠積極參與到能源生成與管理過程中。超薄膜所具備的可擴展性與耐久性，使其在眾多設計中脫穎而出，為其在建筑行業的快速推廣應用奠定了堅實基礎。這一模式的轉變有望重塑我們在可持續建筑與城市規劃領域的研究方向。展望未來，若能在涵蓋太陽光譜和中紅外光譜的寬帶熱調節技術方面取得進一步進展，將有望進一步提升熱管理效能。開發被動式高性能熱調節多功能材料雖仍是一項艱巨挑戰，但對于下一代節能建筑圍護結構的發展而言前景廣闊。此外，后續研究應著重探索超薄膜與智能建筑系統的融合方式，以及其在既有建筑改造中的應用性能。通過此類研究，有望在大量既有建筑中挖掘出可觀的節能潛力，從而推動城市環境朝著更加可持續、高效節能的方向發展。

論文信息：Siru Chen et al. ,Bioinspired metafilms for all-weather energy harvesting: Adaptive thermal regulation and raindrop electricity generation.Sci. Adv.11,eadu2895(2025). DOI:10.1126/sciadv.adu2895

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