隨著對高效熱管理技術和先進偽裝/隱身能力需求的日益增長，開發能夠在可見光和紅外波段同時調控光熱行為的多功能材料至關重要。傳統被動輻射冷卻材料依賴高太陽反射率和高中紅外發射率來實現降溫，但其高發射率特性在熱紅外波段極易暴露目標，難以滿足軍事和特定環境下的熱偽裝需求。同時，實現高效可控的加熱通常需要深色或黑色寬帶吸收材料，這與視覺偽裝要求也存在矛盾，使用等離子體材料實現灰色和特別白色的外觀仍然是一個主要挑戰。因此，亟需發展能夠動態調節熱行為（冷卻/加熱）并兼具視覺與紅外偽裝能力的新型材料體系。受自然界云層-氣溶膠相互作用調控地球能量平衡的啟發：白色云層通過背向散射陽光實現冷卻，而吸收性氣溶膠覆蓋則形成“灰云”促進吸熱升溫。本研究提出并設計了一種無序等離子體超表面。該材料創新性地實現了白色等離子體狀態（模擬云層冷卻效應）向灰色狀態（模擬含吸收性氣溶膠的灰云加熱效應）的可控轉變，在標準太陽光照下分別實現了基底相對降溫10°C和相對升溫10°C的顯著熱管理性能，同時具有低紅外發射率特性，為下一代自適應偽裝、隱身技術和高效熱管理提供了全新思路。相關工作以Cloud Inspired White and Grey Plasmonic Metasurfaces for Camouflaged Thermal Management為題發表在Advanced Materials期刊。

本文從自然界云-氣溶膠相互作用的輻射調控機制出發，設計了如圖1所示的類云等離激元超表面結構，構建了具備白色與灰色雙態外觀的光學迷彩材料。通過圖2的仿真與固態脫濕法-真空濺射，成功制備了圖3所示不同初始厚度（15、30、50 nm）的銀納米結構表面（NSS）。實驗表征表明：15-50 nm初始銀層形成的NSS高度為71-360 nm（圖3C-E），其可見-近紅外波段背向散射率高達90%（圖3G）。進一步，圖4揭示了銀半橢球在鏡面上隨尺寸變化的散射電場演化規律。通過如圖5所示在50 nm NSS上沉積70 nm Cu/Al?O?納米復合層（PNC），實現了從白到灰的光學轉換，吸收率提升至97%，散射近乎完全抑制。圖6表明白色超表面通過背向散射使基底相對降溫10°C，而灰色超表面通過光熱轉換使溫度升至74°C，較傳統黑色吸收體提升10°C。該材料兼具低紅外發射率（0.08-0.11，圖6A）和廣角吸收特性（45°入射吸收率0.95，圖6E-F），為熱隱身與自適應熱管理提供了新方案。

圖1：受大氣啟發的白色和灰色超表面設計原理及其具有偽裝效果的云模擬熱效應。左圖展示了白色超表面，它通過背向散射模擬白云，從而產生冷卻效應。相反，右圖展示了灰色超表面，它模擬灰云，并通過模擬云-氣溶膠相互作用實現熱量捕獲，從而產生加熱效應。兩種超表面都被視覺疊加到自然場景中：帶有白云的白雪皚皚場景對應白色超表面，灰云密布的昏暗天空場景對應灰色超表面，從而展示了它們在不同大氣環境中的有效偽裝能力。

圖2：A)不同尺寸和波長下銀半球橢球體的遠場散射特性，以二維極坐標圖和三維散射分布圖表示。B)在1000 nm激發波長下，位于硅基底上的銀散射體與位于銀鏡上的銀散射體的散射電場強度光學模擬。C)納米結構表面（NSS）的制備工藝流程：首先沉積一層薄銀層（15、30和50 nm），隨后在真空中650°C下進行固態去濕步驟；最后，在同一設備內且仍處于同一真空步驟中，在納米結構頂部濺射沉積一層光學厚銀層。

圖3：等離激元超表面的構建：A, B) 50 nm NSS的截面SEM圖（比例尺為200 nm）；C) 15 nm NSS，D) 30 nm NSS，E) 50 nm NSS的AFM三維圖像及其對應的光學圖像，最大高度分別為71、206和360 nm；F)與銀鏡對比，NSS在45°入射角下的反射光譜；G) NSS的散射光譜；H)不同NSS結構中粒子的尺寸分布。

圖4：銀半橢球在銀鏡上的散射電場大小與半橢球尺寸和激發波長的有限元模擬。

圖5：A) 48%填充因子（FF）的Cu/Al?O?等離激元納米復合材料（PNC）的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像（比例尺為10 nm）；B)灰色超表面的截面SEM圖像，其中70 nm厚PNC位于硅基底上的50 nm NSS上（比例尺為100 nm）；C)比較50 nm NSS在沉積70 nm PNC層前后的散射光譜，以及該PNC層位于銀鏡面上的情況；D)將70 nm PNC層分別沉積在50 nm NSS和銀鏡面上時的吸收光譜；插圖顯示了PNC層在銀鏡面（左）和NSS（右）上的光學圖像。

圖6：A)所制備結構的紅外反射光譜，與100°C黑體熱輻射對比；B)測量樣品溫度的示意圖；C)在1太陽照射下，樣品的溫度隨時間的變化曲線；D)多個樣品在穩態下的溫度；E)在多個入射角下，PNC層位于銀鏡面（藍色）和50 nm NSS（灰色）上時的反射光譜；F)直方圖顯示不同入射角下兩種吸收體的積分反射率值。

小結：綜上所述，為解決兼顧偽裝與熱管理需求的難題，本文受云和氣溶膠相互作用啟發，設計出一種灰/白雙態等離子體超表面的等離激元超表面結構。該結構通過真空脫濕和濺射工藝制備出納米結構銀散射層（NSS），并進一步疊加Cu/Al?O?納米復合吸收層（PNC），實現從背向散射主導的白色態降溫（相較于裸硅基底降低約10°C）到寬譜吸收主導的灰色態加熱（相較于傳統黑色吸收層提升約10°C）功能切換。。結構具有低紅外發射率，在保持熱隱身的同時兼具動態調溫能力。該材料展現出優異的光熱轉換效率、方向無關的廣角光譜響應和長期穩定性，突破了高反射冷卻與高吸收加熱難以共存的矛盾，開辟了熱偽裝與智能熱調控材料的新方向，為多場景下的光熱管理應用提供了可持續的解決方案。

論文信息：M. A. Assad, M. Abdelaziz, T. Hartig, T. Strunskus, A. Vahl, F. Faupel and M. Elbahri. Cloud Inspired White and Grey Plasmonic Metasurfaces for Camouflaged Thermal Management. Adv. Mater. 2025. e2501080.

https://doi.org/10.1002/adma.202501080.

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