-60°至60°!南京大学朱斌/长春光机所「首篇Nature」李炜研究员 ,凭一张膜再发Nature子刊!

各种户外场景对温度控制和环境自我保护的需求，从光学角度来看往往是矛盾的，因此激发了许多多光谱伪装和辐射冷却性能的材料设计。然而，这些基于一维光子晶体或元表面的方法总是依赖于严格的制作，并且可能导致很强的角依赖性。

南京大学朱嘉教授、陆延青教授、朱斌副教授，长春光学精密机械与物理研究所李炜研究员等人通过在分子和微尺度上的分层设计和可扩展生产，展示了一种铝-聚酰胺66金属基聚合物双层薄膜，能够在红外（3-5 μm和8-14 μm）和激光（10.6 μm）波段进行伪装，在非大气窗口（5-8 μm和14-20 μm）中具有有效的辐射冷却，同时具有-60°至60°之间的弱角依赖性。此外，该薄膜可以根据特定的发射率和颜色进行定制，以平衡不同环境下的伪装和冷却。这项工作提供了一种可扩展的、低成本的辐射冷却聚合物薄膜，为多光谱伪装提供了实用的解决方案。

相关工作以《Hierarchical design and scalable production of radiative cooling film featuring multispectral camouflage》为题在《Nature Communications》上发表论文。

朱斌，南京大学副教授、博士生导师，入选2021年第六批国家“万人计划”青年拔尖人才。2013年本科毕业于南京大学材料物理与化学专业，2018年博士毕业于南京大学现代工学院（导师：朱嘉教授），博士期间去往美国哥伦比亚大学进行联合培养，博士毕业后留校工作。主要从事光热调控、辐射制冷和热管理、锂电池存储等方面的研究。同时，朱斌博士还有另一个身份——墨光新能科技（苏州）有限公司董事长。「墨光新能」已通过多家消费电子、汽车主机厂测试，并在包括建筑节能、电力通讯、粮仓等行业成功进行了实地示范验证。由于公司在辐射制冷材料行业的影响力和资本市场的认可度，在2025年也获得了近亿元Pre-A轮融资。

图1 多光谱伪装的概念和设计

图1a显示了从可见光（Vis）到中红外（MIR）波段的理想伪装光谱。这种选择性光谱以前已经通过自上而下的方法实现，如一维光子晶体或元表面。这些复杂的光学结构通常不仅需要严格的自上而下的纳米精度制造工艺，而且还导致高度的角依赖性。随机堆叠的结构总是在特定方向上没有光学取向，从而导致纳米纤维膜或多孔涂层等表面颜色均匀，如白色或深色。它不仅适用于可见光波段，而且为弱角度依赖的红外性能方案创造了可能性。然而，目前的材料通常在中红外波段具有高发射率，不能满足上述多光谱伪装的要求。因此，为了在角度依赖性较弱的MWIR和LWIR中实现低发射率（图1b），在合适的材料上寻求精细的分子水平设计是至关重要的。

聚合物由基本链和各种官能团组成，这些官能团是有机物的基本分类（图1c）。此外，官能团由具有不同键组合的不同原子组成，其振动主要决定了中红外吸收光谱（图1d）。因此，图1e绘制了由碳、氢、氧、氮和卤素元素组成的18种常见有机化合物（烷基、烯烃、炔、芳烃、卤代烃、醇、酚、醚、醛、酮、羧酸、酯、酸酐、酸卤化物、酰胺、腈、硝基和胺）可能吸收峰的MIR分布。为了满足图1a中多光谱伪装的要求，聚合物应由吸收峰在2000-1250 cm^-1和714-500 cm^-1（相当于5-8 μm和14-20 μm）范围内的官能团组成，而在其他MIR波段（3-5 μm和8-14 μm）中首先没有吸收或吸收微弱。因此，酰胺和酮具有最合适的官能团。烷基在聚合物组成中也被考虑在内，因为它是构成长链的基本元素。综上所述，用于多光谱伪装的理想聚合物优选由烷基、酰基和羰基组成。预计聚酰胺，也称为尼龙，可以很好地满足上述要求。

图2 X薄膜的制备与表征

随着静电纺丝技术的不断进步，采用卷对卷的方法可以生产出大规模的薄膜。图2a显示了一种柔性的米尺度X薄膜，它呈现白色，并在5-8 μm和14-20 μm上选择性地发出红外光。其中，PA66的吸收特性和折叠铝箔衬底的散射效应共同作用于10.6 μm的激光伪装。根据Mie理论，PA66薄膜的纤维直径被控制在如图2b所示的~100 nm，这样不会对MIR波段的散射效率产生影响，图2c的详细计算进一步验证了这一点。因此，PA66薄膜的MIR光谱主要由其振动吸收决定。注意，PA66的FTIR光谱显示其特征吸收峰位于1630 cm^-1、1534 cm^-1、1274 cm^-1、935 cm^-1、685 cm^-1和577 cm^-1，这与图1e的筛选结果一致。

随后，制备了一系列不同厚度的铝-PA66 金属基聚合物双层薄膜，分别命名为XN 薄膜（其中N表示PA66薄膜的厚度）。铝箔基底的厚度为25 μm。图2d展示了随着N的变化而变化的X薄膜的光谱，其在中波红外和长波红外区域具有低发射率，在大气透明窗口之外具有高发射率，并在10.6 μm处具有高吸收率，非常适合多光谱伪装和辐射冷却。进一步建立了基于X薄膜结构的理论模型，评价了X薄膜光谱的角灵敏度。结果表明，在-60°到60°的角度范围内，中红外和中红外的反射变化不大，表明红外伪装具有较宽探测视角范围的潜力（图2e）。

以X30为例，监测了LWIR中与角度相关的反射光谱。在10°到60°的角度范围内，吸收峰的位置（尤其是在10.6 μm处）和总反射强度几乎没有变化，说明X薄膜的光谱具有较弱的角度依赖性，这对于实际应用具有重要意义，因为红外相机在移动过程中的观测角度变化很大（图2f）。考虑到可见伪装，通过可扩展的喷涂过程将颜料加载到X薄膜上。颜料应选择性地吸收与所需颜色互补的可见光，同时不影响X薄膜的MIR特性，特别是在MWIR和LWIR中不具有吸光度，从而同时实现红外、激光、可见光伪装和辐射冷却。由于Fe₂O₃、α-FeOOH和Fe₄[Fe(CN)₆]₃在中红外和低红外光谱中吸收较弱，分别选择红、黄、蓝三种原色。所制备的各种颜色的薄膜如图2g所示。

然后，测量了X薄膜的MIR光谱（图2h）和可见光谱。MIR光谱与图2d相似，在3-5 μm和8-14 μm处保持高反射率，在5-8 μm和14-20 μm处保持高发射度，在10.6 μm处保持高吸光度。可见光谱显示出750 nm、600 nm和450 nm附近的主反射峰，分别对应红色、黄色和蓝色，在CIE颜色空间图中进一步显示（图2i）。

图3 X膜的多光谱伪装和辐射冷却性能

首先通过室内实验对X薄膜的MIR伪装效果和辐射冷却效果进行了评价。设计了一种由热化合物与X薄膜连接的加热片作为实验装置，该加热片由泡沫隔热。以不同厚度的PA66（X30、X45、X62、X72）、铝箔（X0）和未覆盖外壳（裸）的X膜作为对照（图3a），覆盖前加热片的初始温度设置为55℃。LWIR中的红外照片显示，与裸对照相比，所有X薄膜都表现出不同的伪装性能潜力（图3b）。

随着PA66薄膜的减薄，其隐身效果越好，而铝箔由于其低发射率表现出最完全的伪装效果。MWIR照片也显示了同样的趋势（图3c）。然而，铝箔的MIR特性是宽频低发射，覆盖在加热片上时，其温度比初始状态升高了15℃，这可能会导致热问题或额外的冷却能耗（图3d）。X薄膜有望缓解这一现象，因为与X0相比，X薄膜的冷却温度为5-10℃。与PA66膜厚度与伪装性能的关系相反，X薄膜的散热能力与PA66膜厚度呈正相关，两者之间存在平衡关系。因此，在隐身要求不高的情况下，可以选择各种X薄膜，以满足基本的伪装要求，并进一步扩大冷却性能。

然后，还进行了加热功率测试，以证明不同控制的MIR特性（图3e）。为了将加热片的温度保持在55℃，裸控由于其高MIR辐射率，需要高达428 W m^-2的加热功率，而覆盖X0薄膜的外壳需要最低的加热功率（272 W m^-2）。采用X薄膜的控制装置的辐射冷却性能处于以下数值之间（316w m^-2、336w m^-2、362 W m^-2和374w m^-2之间，分别适用于X30、X45、X60和X72）。因此，温度测试和加热功率测试都验证了X薄膜可以实现MIR伪装和辐射冷却效果，这与上述光谱相对应。

图4 在各种环境下进行伪装

将贴有X薄膜（X-fabric）和铝膜（Al-fabric）的棉机织物穿在假人身上，并在假人的胸部和腹部等主要部位加温片进行温度调节，以明确其多光谱伪装和冷却性能。X-fabric不仅具有与Al-fabric相似的红外伪装效果（图4a），而且具有比Al-fabric更好的可见光伪装效果（图4b）。同时，由于X-fabric在非大气窗口的额外辐射散热能力，X-fabric下胸部和腹部的温度都低于Al-fabric下的温度（图4c）。

通过对红外图像中量子级联激光器发射光波长为10.6 μm的光斑的温度检测，评估了激光伪装的潜力。温度越高，回波信号越高，进一步表明样品的吸收能力越低，激光伪装越差。如图4d所示，在相同功率下，X-fabric的温度比Al-fabric低，说明激光伪装效果更好。此外，当发射功率从0.1 P降低到0.018 P（P为原始激光功率）时，X-fabric上的激光信号在背景中消失，而Al-fabric上的激光信号没有消失，这意味着X-fabric在实际使用中可以获得更短的最大探测距离。

然后，在-60°~ 60°距离~2 m处拍摄红外图像（图4e）。验证了X-fabric在不同角度具有良好的红外伪装性能，且由于其角度依赖性较弱，能保持颜色的一致性，有利于在实际应用中灵活应对移动探测器。X-fabric也根据不同的身体区域设计了不同的颜色和发射率，针对不同的实际场景，如灌木丛。图4f是一个人在阴天穿着由三种不同纺织品制成的衣服的红外和光学图像。图像显示，虽然绿色棉织物与白色棉织物相比呈现出与灌木相似的颜色，但由于其与白色棉织物相同的高发射率，仍然无法实现红外伪装。然而，区域化的精心设计的绿色X-fabric在红外和光学照片中显示出与背景相似的颜色。

Hierarchical design and scalable production of radiative cooling film featuring multispectral camouflage，Nature Communications，2026.

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69045-4