仿生自适应薄膜实现全天候能量捕获：热辐射调控与雨滴发电的协同创新

针对传统辐射制冷材料(PRC)在寒冷天气过冷效应和阴雨天气失效的难题，研究人员受角蜥(Phrynosoma)启发开发了具有三明治结构的智能薄膜。该材料通过氟化乙丙烯(FEP)/氧化铟锡(ITO)外层实现雨滴发电(208V)，热致变色核心层实现63%可见光对比度的自调节热管理，在炎热天气实现低于环境温度3.3°C的冷却效果，寒冷条件下产生高于环境温度5.1°C的加热效应，为建筑节能提供了全天候解决方案。

　　

随着全球能源危机加剧，建筑能耗占社会总能耗40%以上，其中空调系统贡献了主要负荷。传统被动辐射制冷(PRC)材料虽能通过高太阳反射率(R_solar)和强长波红外发射(LWIR)实现零能耗降温，但其静态光学特性导致寒冷季节"过冷"现象，增加供暖能耗；更棘手的是，雨水会吸收/散射电磁波，使基于光谱调控的PRC在降雨时完全失效。这就像给建筑穿了一件"恒温衣"，既无法应对四季温差，又难以适应多变天气。

为解决这一难题，受角蜥(Phrynosoma)双重适应能力的启发——通过皮肤变色调节太阳光吸收，利用毛细血管效应在干旱环境中收集雨水——研究人员开发出多功能仿生薄膜。这种创新材料将热辐射调控与雨滴发电相结合，在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中展示出突破性性能：可见光谱63%的光学对比度，208V的高压雨滴发电输出，以及3.3°C的亚环境冷却和5.1°C的超环境加热能力。

研究采用相转化技术制备多孔聚醚砜(PESF)辐射制冷层，通过掺杂氧化铝(Al₂O₃)实现97.9%太阳反射率；采用隐色染料-双酚A-酯类溶剂三组分体系构建热致变色层，通过调节硬脂酸乙酯/甲酯比例精确控制相变温度(τ_c=3.4-30.1°C)；外层FEP膜兼具94%可见光透过率和104°水接触角。通过加速老化试验(ISO 16474-3:2021)验证，含紫外吸收剂(UVPAA)的样品在等效3.5年户外暴露后性能衰减<4%。

【设计与制造】
三明治结构从下至上依次为：ITO电极、Al₂O₃-PESF多孔PRC层、隐色染料掺杂聚丙烯酸(LDPAA)层、紫外吸收剂改性PAA(UVPAA)层和FEP层。稳态传热模型证明，相比中红外(MIR)调控，可见光(VIS)开关策略受大气透射率影响更小。隐色染料通过内酯环开闭实现显色-褪色转变，二元酯溶剂系统通过α型晶体调控τ_c。

【热致变色特性】
4wt%染料浓度的黑色薄膜展现最大光学对比度(太阳反射率调制33%)。差示扫描量热(DSC)证实材料具有快速响应特性(4秒完成变色)，经270次循环后性能无衰减。UVPAA层使材料在加速老化试验中保持39.7%的VIS调制能力，而未保护样品完全失效。

【热调控评估】
在香港夏季(35°C)测试中，所有颜色薄膜均实现亚环境冷却(2.9-3.3°C)，与对照PRC相当；冬季(21.5°C)时黑色薄膜产生5.1°C超环境加热，而PRC材料出现4.8°C过冷。全球九城市测试显示，在迪拜等热带地区维持制冷效果，在长春等寒冷地区显著降低供暖需求。

【雨滴发电性能】
晶体管式结构中，水滴作为栅极触发FEP-ITO间体电子转移，单滴冲击产生208V电压和130μA电流，峰值功率密度66.3W/m²。接触角30-60°时效率最高，在5Hz滴落频率下输出稳定(<2%波动)。生命周期评估(LCA)显示FEP比PTFE/PFA更环保。

【大规模应用评估】
EnergyPlus模拟显示：三亚等热带地区年制冷节能45.4GJ；杭州等温带地区较传统PRC额外节省19GJ供暖能耗。香港建筑屋顶(815.4m²)年发电量达25,030kWh，相当于7户家庭全年用电。

这项研究通过仿生设计突破了PRC材料的时空局限性，首次实现"降温-加热-发电"三位一体的全天候能量管理。其创新性体现在：1) 将热致变色τ_c调控范围扩展至3.4-30.1°C；2) 通过UVPAA层解决隐色染料光稳定性难题；3) 创制雨滴能量收集与热辐射调控的协同界面。该技术为建筑节能提供了"气候自适应"解决方案，特别在年温差大、雨量充沛地区优势显著。未来研究可探索无氟 triboelectric 材料，并开发与智能建筑的集成策略，推动"产储用"一体化的建筑表皮革命。