引言
全球变暖和加速的城镇化导致建筑制冷能耗持续上升，目前占全球终端用电量的10%以上[1], [2], [3]。国际能源署预计，到2050年这一比例将继续增长[4]。传统的蒸气压缩制冷技术不仅依赖化石燃料发电，而且通过废热排放加剧城市热岛效应，无法满足碳中和目标所要求的零碳建筑目标[5], [6]。被动日间辐射制冷提供了一种极具前景的零能耗解决方案[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]：通过光谱选择性设计，实现高太阳光反射率（0.3–2.5 μm）以最大限度减少太阳加热，同时在大气窗口（8–13 μm）内保持高热发射率。这使得可以直接将热量散发到外太空约3 K的冷源，从而实现低于环境温度的降温，而无需任何电力或制冷剂消耗[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]。近年来，该领域已从早期的多层光子结构扩展到功能性复合涂层[24], [25], [26], [27]，包括辐射制冷涂层[28], [29], [30], [31]、辐射制冷陶瓷[32], [33], [34]和多孔聚合物薄膜[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]。与此同时，材料设计和微结构工程的持续进步进一步推动了冷却性能达到前所未有的水平。
尽管辐射制冷性能取得了显著进展，但在户外环境中的长期稳定性仍然是辐射制冷材料广泛部署的关键障碍。在实际服役环境中，不可避免的污染，如灰尘沉积、雨水污渍和微生物生长，会显著增加太阳吸收率并降低大气窗口发射率，从而导致冷却效率逐渐下降[43], [44], [45], [46], [47]。为应对这种退化，整合超疏水自清洁功能已成为一种极具前景的表面保护策略。通过设计低表面能的微/纳米结构，此类表面可使水滴形成接近球形的形状并轻松滚落，在此过程中夹带颗粒和液体污染物。这种机制保持光学清洁并支撑长期冷却稳定性[48], [49], [50], [51], [52]。然而，大多数已报道的自清洁辐射制冷材料仅关注疏水特性的实现，对同时的疏油特性关注甚少。在现实环境中，油基气溶胶和工业排放等有机污染物同样普遍存在，且其粘附不会被疏水表面所抑制。因此，纯疏水材料不足以应对混合污染物负载。如何在保持甚至增强辐射制冷性能的同时实现超疏水和疏油特性的协同整合，仍然是一个迫切需要解决的关键科学问题。在自然界中，莲叶为解决这一矛盾提供了仿生模型。其表面具有分层结构，固有的微米尺度乳突与低表面能蜡层的协同组合赋予表面优异的自清洁性能[53], [54]。根据界面润湿理论，分级粗糙度与低表面能之间的相互作用是实现低润湿界面的核心。这种结构将空气捕获在粗糙化的空隙中，显著减少了固-液接触面积，这不仅实现了超疏水效果，还赋予表面疏油性能[55], [56]。同时，叶片的角质层在大气窗口内表现出固有的高发射率[57]。这种结合界面抗污能力与光谱选择性的分层结构，完美地满足了辐射制冷材料对光学性能和表面疏水/疏油自清洁功能的双重需求。
值得注意的是，制浆和造纸行业长期建立了以纤维网络形成和表面功能化为核心的多尺度结构控制方法。近年来，这些方法已逐步扩展到光学和热管理材料领域。通过调节纤维形态、浆料组成和成型干燥条件，造纸工艺可以产生跨尺度的孔隙结构，从而有效控制材料内的光散射。这种方法与辐射制冷材料中多孔基体的光学设计本质一致[58], [59]。造纸行业中成熟的表面施胶和涂布技术可以在基材表面创建均匀的功能层。通过使用低表面能物质或纳米颗粒，这些技术赋予界面疏水性、疏油性和防污性，模拟了莲叶上的蜡层[60], [61], [62], [63]。近年来，这些策略已扩展到光学管理领域，通过孔径分布与表面改性的协同，实现了宽光谱光散射控制与自清洁功能的整合[64], [65]。这些结构控制概念为辐射制冷材料的设计提供了可迁移的参考框架。从内部孔隙工程到外部表面功能化，它们与高效冷却和长期自清洁耐久性双重需求高度契合。
基于以上分析，本研究将莲叶的分层结构与制浆造纸中的多尺度结构控制概念相结合，设计并制备了一种具有双重排斥性能的仿生辐射制冷复合薄膜。首先通过机器学习驱动的贝叶斯算法对周期性圆柱微结构阵列进行全局优化[66]，然后将其与内部多孔网络耦合以拓宽光谱光学响应。随后，将修饰的SiO?纳米颗粒涂覆在微结构上，构建低表面能分级界面，在不造成光学性能下降的情况下实现协同的两亲排斥性。全面表征和现场测试表明，该薄膜表现出优异的被动冷却和双重排斥自清洁性能，确保了长期户外稳定性，并突显了其巨大的实际应用潜力。
