【光學(xué)前沿】二氧化釩超表面輻射器件：智能控溫技術(shù)的突破

      在面對(duì)全球能源危機(jī)和氣候變化的挑戰(zhàn)下，開發(fā)新型高效節(jié)能技術(shù)變得尤為迫切。其中，輻射制冷技術(shù)因其綠色無源被動(dòng)制冷的特性而備受關(guān)注。近期，《AdvancedPhotonics》雜志2024年第4期發(fā)表了一項(xiàng)由北京理工大學(xué)李靜波和金海波教授團(tuán)隊(duì)完成的突破性研究，介紹了一種基于二氧化釩（VO2）超表面的新型輻射制冷器件，該器件能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化智能調(diào)節(jié)其輻射特性，為智能溫度管理提供了新的可能性。

    一、輻射制冷技術(shù)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

    輻射制冷技術(shù)通過反射太陽輻射并向外太空輻射熱量來降低物體溫度，是一種極具潛力的節(jié)能降溫方法。然而，現(xiàn)有的輻射制冷材料多為靜態(tài)發(fā)射率材料，無法根據(jù)環(huán)境溫度變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)射率，導(dǎo)致在低溫環(huán)境下可能出現(xiàn)“過制冷”現(xiàn)象，增加供暖系統(tǒng)的能耗。

    為了解決這一問題，北京理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種發(fā)射率動(dòng)態(tài)可調(diào)的輻射制冷材料和器件。該團(tuán)隊(duì)利用熱致變色VO2材料結(jié)合非對(duì)稱法布里-珀羅諧振腔設(shè)計(jì)的輻射制冷器件，能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)節(jié)發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)“高溫-制冷”和“低溫-保暖”的動(dòng)態(tài)熱管理效果。

    二、二氧化釩超表面輻射器件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

    研究團(tuán)隊(duì)采用VO2超表面策略，設(shè)計(jì)并制備了一種溫度自適應(yīng)的超表面輻射制冷器件（ATMRD）。與傳統(tǒng)的ATRD相比，ATMRD的太陽吸收率降低了7.54%，而高溫發(fā)射率提高了13.3%。這一成果不僅提升了發(fā)射率性能，還顯著降低了太陽吸收率，解決了低太陽能吸收率與高熱紅外發(fā)射率之間的矛盾。

    ATMRD器件由三層結(jié)構(gòu)組成：底部為高反射金屬層，中間為紅外高透過介質(zhì)層，頂部為紅外透過率可調(diào)的VO2層。通過精確的模擬和優(yōu)化，研究者確定了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并采用磁控濺射技術(shù)成功制備了ATMRD器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ATMRD器件在高溫下的發(fā)射率顯著提高，而太陽吸收率降低，展現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)輻射熱管理能力。

    三、應(yīng)用前景與未來展望

    這項(xiàng)研究的成功不僅證明了VO2超結(jié)構(gòu)在協(xié)同優(yōu)化熱紅外發(fā)射率和太陽吸收率方面的潛力，還為VO2超結(jié)構(gòu)功能器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了寶貴的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。ATMRD器件的實(shí)際應(yīng)用潛力評(píng)估顯示，該器件在低溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的保溫性能，在高溫環(huán)境下則具備良好的散熱效果，且發(fā)射率對(duì)探測(cè)角度的依賴性較弱，證明了其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的穩(wěn)定性能。

    隨著智能控溫技術(shù)的不斷發(fā)展，基于VO2超表面的輻射制冷器件有望在未來的建筑節(jié)能、汽車熱管理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能和智能溫度控制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。這一突破性研究不僅推動(dòng)了輻射制冷技術(shù)的發(fā)展，也為應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)和氣候變化提供了新的解決方案。