摘要：先说说研究背景，全球能源消耗激增，应对气候变化、减少对化石燃料依赖的需求越来越迫切，这促使研究人员大力探索可持续和可再生能源，被动辐射冷却技术就是其中之一。不过传统被动辐射冷却（PRC）有局限，冷天会过冷，阴天效果也不好。
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一、研究背景与灵感来源
朋友们，今天一起来了解仿生超薄膜，它能实现全天候能量收集呢。
先说说研究背景，全球能源消耗激增，应对气候变化、减少对化石燃料依赖的需求越来越迫切，这促使研究人员大力探索可持续和可再生能源，被动辐射冷却技术就是其中之一。不过传统被动辐射冷却（PRC）有局限，冷天会过冷，阴天效果也不好。
那灵感从哪来的呢？科学家受到了角蜥的启发。角蜥能通过调节皮肤颜色来适应环境温度，还能利用皮肤的毛细作用收集雨水。受此启发，他们研发出了这种多功能的仿生超薄膜，它能在晴天进行热调节，雨天还能发电，可厉害了。
二、超薄膜的结构设计
接下来看看这个超薄膜的结构设计，它采用了三明治结构哦。最外层是氟化乙烯丙烯（FEP）和氧化铟锡（ITO），这可是用来实现雨滴发电的关键部分。中间是热致变色核心层，能自我调节加热和冷却。
具体来说，从下往上依次是 ITO 电极、PRC 层、掺杂隐色染料的聚丙烯酸（LDPAA）层、掺杂紫外线吸收剂的 PAA（UVPAA）层，最后是 FEP 层。其中，PRC 层是用聚醚砜（PESF）、N - 甲基 -ε- 吡咯烷酮（NMP）、乙醇和氧化铝纳米颗粒的前驱体溶液通过相转化技术制成的，具有高太阳能反射率。LDPAA 层能在可见光范围内进行光学调节，UVPAA 层则可以吸收紫外线，保护 LDPAA 层不受紫外线降解。FEP 层不仅具有高太阳能透射率，还具有良好的疏水性，有助于雨滴发电。
三、热调节性能
这个超薄膜的热调节性能可厉害了，它在可见光范围内的光学对比度超过 63%。在炎热条件下，它能实现低于环境的冷却；寒冷时，又能实现高于环境的加热。
具体来说，当温度超过相变温度（τc）时，LDPAA 层对光的吸收很小，可见光可以穿透到 PRC 层，PRC 层高反射太阳光，实现冷却效果。而当温度低于 τc 时，LDPAA 层在可见光范围内变得具有吸收性，吸收的光能转化为热能，实现加热效果。
科学家们还通过使用不同的隐色染料，制作出了黑色、青色、品红色和黄色等不同颜色的超薄膜，它们的光学性能各不相同。比如黑色超薄膜的可见光调制能力达到 63%，整体太阳能调制达到 33%。而且，通过调整隐色染料的浓度和成分，还可以调节超薄膜的相变温度，其 τc 范围从 3.4°C 到 30.1°C 不等。
四、雨滴发电性能
除了热调节，超薄膜在雨滴发电方面表现也很出色。它的雨滴发电模块由 ITO 和 FEP 层协同集成，形成类似晶体管的结构。当水滴撞击表面时，会静电调制源漏通道，引发电子从预充电的 FEP - 超薄膜堆叠层转移到 ITO 电极，从而产生电力。
在单个水滴撞击测试中（从 25 厘米高度释放），该装置实现了 208 伏的开路电压（Voc）和 130 微安的短路电流（Isc）。在最佳外部电阻 300 千欧时，功率密度达到 66.3 瓦 / 平方米。而且，它的能量转换效率高达 27.8%，超过了许多同类摩擦电收集器。
在连续降雨条件下（20 毫米 / 小时），产生的功率足以运行物联网传感器（每个约 100 微瓦）。经过标准化环境应力测试，如防尘测试和加速风化测试，超薄膜的电压降解小于 5%，表现出良好的耐久性。
五、实际应用与能源效益
超薄膜在实际应用中能源效益显著。在建筑领域，通过 EnergyPlus 模拟显示，在不同气候区的建筑中应用超薄膜，能大幅节省能源。比如在三亚和迈阿密等以冷却为主的地区，应用超薄膜可分别实现每年 45.4 和 49 吉焦的冷却能源节省。在杭州、纽约等需要加热的地区，超薄膜能减少 heating 能源消耗，平均减少 19 吉焦。
在 electricity 发电方面，以香港为例，一栋建筑的屋顶若全部覆盖超薄膜，每年可发电超过 25,000 千瓦时，足以满足七个典型三口之家一年的用电需求。从全球范围看，超薄膜在不同气候区都展现出了良好的能源节省和发电潜力，为可持续建筑和能源管理提供了新的解决方案。
一起来做做题吧
1、传统被动辐射冷却技术（PRC）的主要局限是什么？
A. 仅能在晴天工作
B. 冷天过冷且阴天效果差
C. 制造成本过高
D. 无法实现能量收集
2、仿生超薄膜的设计灵感主要来源于哪种生物？
A. 变色龙
B. 角蜥
C. 骆驼
D. 仙人掌
3、超薄膜的三明治结构中，用于雨滴发电的外层材料是什么？
A. 氟化乙烯丙烯（FEP）和氧化铟锡（ITO）
B. 聚醚砜（PESF）
C. 聚丙烯酸（PAA）
D. 氧化铝纳米颗粒
4、PRC 层的制作采用了哪种技术？
A. 3D 打印技术
B. 相转化技术
C. 静电纺丝技术
D. 磁控溅射技术
5、超薄膜在可见光范围内的光学对比度达到多少？
A. 30%
B. 45%
C. 63%
D. 80%
6、黑色超薄膜的整体太阳能调制能力为多少？
A. 19%
B. 25%
C. 33%
D. 42%
7、单个水滴撞击超薄膜时，实现的开路电压（Voc）是多少？
A. 208 伏
B. 150 伏
C. 300 伏
D. 100 伏
8、超薄膜的雨滴发电能量转换效率是多少？
A. 15.5%
B. 27.8%
C. 35.2%
D. 40.1%
参考文献：
Siru Chen et al. Bioinspired metafilms for all-weather energy harvesting: Adaptive thermal regulation and raindrop electricity generation. Sci. Adv. 11, eadu2895(2025).
来源：知识泥土六二三