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科學(xué)研究

輕工學(xué)院薛朝華團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上發(fā)表仿生超疏水智能調(diào)溫涂層研究成果

2024-06-05 09:18 文、圖/輕工學(xué)院 柳冰瑩 點(diǎn)擊:[]

近日,輕工科學(xué)與工程學(xué)院薛朝華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)王鉆開教授和華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊(duì),在國際TOP期刊《Advanced Materials》(IF:29.4)上發(fā)表了題為“Bioinspired Superhydrophobic All-in-one Coating for Adaptive Thermoregulation”的研究論文。我校薛朝華教授、香港理工大學(xué)王鉆開教授和華中科技大學(xué)陶光明教授為文章共同通訊作者,輕工學(xué)院博士后柳冰瑩和華中科技大學(xué)博士生吳嘉威為文章共同一作,陜西科技大學(xué)為第一通訊單位。

近年來,氣候變化引起全球變暖,多地極端高溫天氣頻繁出現(xiàn),嚴(yán)重影響了人類的生存和健康。被動(dòng)日間輻射降溫技術(shù)具有零能耗、零排放等優(yōu)點(diǎn),在減少全球能源消耗方面前景廣闊。然而,該材料在實(shí)際應(yīng)用過程中其表面易被環(huán)境灰塵、微生物、雨水等污染導(dǎo)致功能削弱,從而降低材料使用壽命。另一方面,現(xiàn)有的材料在低溫環(huán)境下會(huì)持續(xù)輻射降溫導(dǎo)致過度制冷,反而增加冬季供暖能耗。第三,如何實(shí)現(xiàn)該材料的大面積量產(chǎn)以推動(dòng)其邁向?qū)嶋H應(yīng)用,仍然需要攻堅(jiān)克難。

鑒于此,陜西科技大學(xué)薛朝華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港理工大學(xué)王鉆開教授和華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊(duì)合作研究,受荷葉的縱向梯度特征和表面微納結(jié)構(gòu)的啟發(fā),通過一步相分離工藝制備出了一種集超疏水表面自清潔、太陽光反射率自動(dòng)可調(diào)和熱紅外發(fā)射有效利用于一體的多功能調(diào)溫涂層,實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下的輻射降溫和低溫環(huán)境下的太陽能加熱從而達(dá)到“冬暖夏涼”智能調(diào)溫。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)植物葉片具有上表皮、柵欄組織、海綿層和下表皮的梯度結(jié)構(gòu)特征,從而使其具有優(yōu)異的光吸收和潤濕性,即葉綠體在柵欄和海綿組織內(nèi)的不對稱分布優(yōu)化了光合效率,使葉片呈現(xiàn)一面深色一面淺色的現(xiàn)象。表皮的潤濕特性,如荷葉表皮細(xì)胞,含有一層低表面能蠟質(zhì)和微納米乳突結(jié),使其表面具有超疏水自清潔特性。

基于荷葉結(jié)構(gòu)和功能仿生,合作團(tuán)隊(duì)將具有溫度響應(yīng)光譜調(diào)制特性的熱致變色微膠囊(TCMCs)、疏水性SiO2和聚偏氟乙烯共六氟丙烯進(jìn)行復(fù)合,通過相分離法構(gòu)筑光學(xué)性質(zhì)可調(diào)、微觀多孔結(jié)構(gòu)不對稱并且表面微納粗糙的溫度自適應(yīng)超疏水輻射降溫涂層。在夏季,涂層反射陽光呈現(xiàn)白色,太陽光反射率高達(dá)92.3%,熱紅外發(fā)射率高達(dá)95.8%,實(shí)現(xiàn)了高溫環(huán)境下的輻射冷卻。相反,涂層在冬季變?yōu)榭梢姽馕諣顟B(tài),從而實(shí)現(xiàn)太陽能加熱。涂層中加入的光學(xué)改性劑(光穩(wěn)定劑、紫外線吸收劑和抗氧化劑)與表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)協(xié)同地保障了復(fù)合涂層的抗光學(xué)疲勞性能。同時(shí),涂層的超疏水自清潔功能有效地保障了涂層功能的持久穩(wěn)定性。

仿生超疏水一體化自適應(yīng)調(diào)溫涂層的設(shè)計(jì)、形貌表征和光學(xué)性能

該工作為智能調(diào)節(jié)輻射冷卻技術(shù)的大規(guī)模制造提供了新方法,為全球碳中和與可持續(xù)發(fā)展提供了一條有效的解決方案,有望推動(dòng)輻射制冷材料研究邁向戶外實(shí)際應(yīng)用。

原文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adma.202400745

新聞小貼士:

薛朝華,二級教授,博士生導(dǎo)師,教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”支持計(jì)劃入選者,陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,秦創(chuàng)原“科學(xué)家+工程師”隊(duì)伍建設(shè)首席科學(xué)家,陜西省中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,中國高被引學(xué)者。長期致力于仿生表面功能材料、仿生智能傳感材料、智能輻射降溫材料研究。主持國家自然科學(xué)基金等國家及省部級項(xiàng)目15項(xiàng),研究成果獲陜西省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)3項(xiàng),陜西高等學(xué)??茖W(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。在Progress in Materials Science、Advanced MaterialsACS Nano等國際著名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇,其中SCI收錄70篇,ESI高被引5篇。

(核稿:劉國棟 編輯:劉倩)

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