胶体光子纤维：用于可反射多彩辐射冷却织物的创新材料平台

《Small Science》：Colloidal Photonic Fibers for Reflectively Colorful Radiative Cooling Fabrics

为了解决传统彩色辐射冷却材料因依赖染料/颜料而易光褪色、难以规模化制备且耐久性差的问题，研究人员通过微流控挤出中红外（mid-IR）发射胶体结构流体，开发了一类新型结构色辐射冷却纤维。该纤维在可见光区呈现角度无关的结构色，在中红外区具备宽带高发射率（ε > 0.9），编织成的织物在日光下可有效降低模拟皮肤基底的温度。这项研究为兼具美观与高效热管理功能的户外可穿戴辐射冷却纺织品提供了可扩展且耐用的解决方案。

　　

随着全球变暖加剧，日间辐射冷却作为一种无需外部能源的被动热管理策略，其重要性日益凸显。然而，该技术的广泛应用长期受限于两个核心难题：一方面，大多数已报道的彩色辐射冷却系统依赖分子染料或颜料实现颜色，这些吸光性染料在长期日光照射下会发生光漂白或褪色，严重影响材料的颜色外观和冷却效率的长期稳定性；另一方面，现有材料平台多为平面薄膜，缺乏可变形、可扩展的形态，难以满足户外和可穿戴应用的实际需求。特别是，将结构色用于辐射冷却织物的现有方法，大多通过浸涂或喷涂将结构色剂涂覆在现有织物表面，这种外在修饰层在反复穿着和洗涤过程中易发生分层、开裂或磨损，最终损害光学外观和冷却性能。为了突破这些美学、材料和耐久性限制，开发一种颜色持久、性能稳定且易于规模化生产的彩色辐射冷却纺织品，成为该领域亟待攻克的关键挑战。

为此，韩国大学（Korea University）等机构的研究人员在《Small Science》上发表研究，提出并验证了一种全新的材料策略：他们创造了一类由中红外发射胶体结构纤维编织而成的彩色辐射冷却织物，成功将美观的结构色与高效的辐射冷却功能集成于一体。

研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用改进的St?ber法合成了单分散二氧化硅（SiO₂）纳米粒子（NPs）。其次，利用微流控T型结器件，在剪切流中挤出SiO₂NPs分散于丙烯酸酯树脂（ETPTA）中形成的胶体结构流体，并通过出口处的原位紫外（UV）光固化，将其固化为非晶光子玻璃纤维。最后，通过手工编织将这些纤维制成晶格型织物，并利用配备积分球的紫外-可见光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、室内太阳模拟器和户外测试装置，系统地表征了其光学与辐射冷却性能。

2.1 制备与关键概念

研究通过微流控挤出和原位光固化技术制备结构色辐射冷却纤维。核心是利用SiO₂与ETPTA介电常数近乎匹配的特性，消除纳米粒子间的范德华吸引力，使其在剪切流中熵驱动组装成非晶光子玻璃结构并被固化。如图1所示，所得纤维在可见光区通过无序SiO₂NPs的多重散射产生角度无关的结构色，在中红外区则借助SiO₂的声子振动实现宽带高发射率（ε > 0.9），从而兼具高效太阳能反射和热辐射能力。

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2.2 光子设计

通过超大规模数值模拟（FDTD）和蒙特卡洛模拟，从理论上验证了纤维的双波段光学设计。模拟显示，通过调整SiO₂NPs尺寸（120-180 nm），可以调谐可见光区反射峰的位置，实现从蓝到红的色彩变化，且颜色角度无关。同时，在红外波段，由于NPs处于深亚波长尺度，SiO₂/ETPTA复合材料表现为均匀介质，具有宽带高发射率。纤维的曲率和间隙进一步增强了太阳光的散射，同时不损害其红外发射性能。

2.3 光子纤维的微流控合成

实验成功合成了尺寸均一的SiO₂NPs，并制成显示蓝、绿、红白结构色的胶体流体。通过微流控T型结器件挤出、剪切并在出口处原位紫外固化，连续制备出了直径100–150 μm的固态纤维。纤维表现出良好的柔韧性和沿整个长度均匀的颜色，扫描电子显微镜（SEM）分析证实了其内部非晶光子玻璃的无序结构，暗场光学显微镜观察也显示了角度无关的颜色特性。

2.4 组装纤维的光学与冷却性能

柔性纤维可手工编织成晶格型织物。光学表征显示，织物在可见光区表现出光子玻璃特有的散射特征，其太阳反射率按蓝、绿、红白顺序递增；在中红外区，所有颜色的织物均表现出超过0.9的宽带半球发射率。室内太阳模拟器测试表明，在1个太阳光照下，覆盖织物的模拟皮肤其稳态温度比裸露皮肤低4°C–5°C，红白织物的降温效果最强。户外全天候测试（在韩国首尔进行）进一步验证了这一结论：白天，红白织物因太阳反射率最高，对模拟皮肤的冷却效果最显著；夜间，所有织物凭借高红外发射率，均展现出可比的冷却性能。这清晰地建立了光学设计与热性能之间的因果关系：太阳波段反射率决定日间冷却强度，而与颜色无关的中红外发射率主导夜间辐射冷却。

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本研究成功展示了一个融合非晶光子玻璃光学与辐射冷却物理的光子材料平台。通过利用SiO₂胶体在光固化ETPTA基质中的熵驱动自组装，并结合微流控挤出固化，研究人员制备出了兼具生动角度无关结构色与宽带中红外高发射率的弹性纤维。这种双波段光学响应（可见光区反射太阳能、中红外区强声子发射）使得无需外部能源即可从热表面被动排热。与依赖染料、易褪色的传统彩色辐射冷却纤维不同，本研究中纤维的颜色来源于结构光子散射而非分子吸收，从而提供了持久、耐光的颜色稳定性，适用于长期户外应用。此外，纤维编织增强了散射能力和可扩展性，为开发颜色可调、柔性且可制造的冷却纺织品开辟了道路。该策略将辐射冷却材料的设计空间从传统的白色或颜料基体系扩展至兼具美学与功能的新领域，为应用于建筑、个人热舒适和可穿戴光子系统的下一代节能织物奠定了重要基础。