在全球变暖与极端高温事件频发的背景下，建筑降温、户外热管理和个人热舒适对制冷技术提出了更高要求。发展低能耗、可持续的新型制冷技术，已成为应对能源危机和全球变暖的重要研究方向。辐射制冷技术通过大气透明窗口（8~13 μm波段）将热量以电磁辐射的形式直接传输至外太空，有望成为应对能源和环境双重危机的突破性选择。
辐射制冷的关键难点在于处理“吸热”与“散热”之间的矛盾。因此，材料只有在太阳光波段尽可能少吸收、在中红外大气透明窗口波段尽可能强发射，才有可能实现亚环境辐射制冷。
材料科学、光学工程和计算模拟的交叉融合，尤其是光学设计的理论优化和纳米材料及涂层技术的革新，推动了辐射制冷技术的发展。2013年，斯坦福大学范汕洄等提出超宽带光子结构能够实现高性能日间辐射冷却，这一研究推动了日间辐射制冷技术的快速发展。不过，现有材料在制冷效率、环境适应性、机械稳定性、规模化制备和应用成本等方面仍存在明显瓶颈，其根本原因与材料的微纳结构设计密切相关。
从机理上看，辐射制冷材料的性能并不单纯受化学组成影响，更取决于微纳结构对光传播、散射、干涉、共振和热辐射行为的调控能力。材料的尺寸、形貌、孔隙、排列方式及界面特征，决定了其在太阳光波段的反射能力以及在8~13 μm大气透明窗口内的发射能力。因此，对材料微纳结构的深入理解和精准构筑，是推动下一代高效、耐久和可持续辐射制冷技术发展的关键。
目前，已有研究主要集中于报道辐射制冷材料的设计和制备方法，缺乏对微纳结构与光学性能构效关系的深入研究。我们聚焦辐射制冷材料的微纳结构设计及其光谱调控机制，围绕周期性、非周期性和仿生型3类典型结构，综述其设计原理、性能特点与应用进展。辐射制冷的基本原理、光谱调控目标及材料微纳结构设计如图1所示。同时，对该领域面临的问题、挑战以及未来的发展方向进行了总结和展望，以期为高性能辐射制冷材料的研究与工程应用提供参考。
辐射制冷材料的微纳结构设计类型及光谱调控策略
辐射制冷材料的微纳结构可分为周期性结构、非周期性结构和仿生型结构。三者的差异主要体现在光谱调控机制、制备方式及应用场景上。周期性结构具有优异的制冷性能，但其制备依赖精密加工，成本较高，难以实现大面积应用，且结构稳定性易受机械磨损影响。非周期性结构能够实现太阳光高反射，制备简单，适合规模化生产，但光学调控精度低于周期性结构。仿生型结构能够为周期性与非周期性设计提供优化思路，实现高制冷效率与环境适应性。
周期性微纳结构的设计与光谱调控
在辐射制冷材料的结构设计中，周期性结构展现出独特的设计与制备优势。通过精确设计的周期性微纳结构，利用光子带隙和共振效应，实现在太阳光谱区的高效反射和大气透明窗口区的高效热辐射。这种基于物理结构而非化学组成的方式，为突破传统材料性能极限，实现接近理论值的制冷效果提供了一条可靠的路径。
周期性结构类型主要包括一维层状、二维阵列及三维球体结构，其核心设计思路是利用周期性排布产生的光程差匹配效应，从而构建特定波段的光子带隙。
- 一维周期性结构利用2种或多种不同折射率材料（如SiO2、TiO2、Si3N4）交替堆叠形成多层结构（图2（a）），实现对于特定波段（太阳光反射）的调控。斯坦福大学的范汕洄等制备的光子薄膜辐射制冷材料，为一维周期性微纳结构的光谱调控应用提供了经典范例。这种类一维光子晶体的周期性结构强化了可见光与近红外波段的反射（图2（b））。但是由于薄膜平面的角度限制，一般只适用于直接面向天空的辐射制冷场景。
- 二维周期性结构在平面上周期性排列（图2（c）），能产生面内的光子带隙，从而控制光在平面方向的传播。同时，每个结构单元（如纳米柱、孔洞）本身可以作为一个共振器，激发相应等离子激元共振。另一方面，SiO2在8~13 μm范围内具有高消光系数（图2（d））。吴林松等通过设计合理的二维光栅结构可以使材料发射率得到增强。如图2（e）所示，相较于普通的SiO2，具有光栅结构表面的SiO2在8~13 μm的发射率得到了显著提高，并且具有良好的角度不敏感性。
- 三维结构指的是空间3个维度上都呈现周期性排列的结构，能够产生全方位的光子带隙，是实现宽带和全角度反射太阳光的理想结构，同时还可以结合材料本身特性和结构设计实现高效的红外辐射。Kim等采用300 nm的SiO2纳米球自组装形成的面心立方结构蛋白石（图2（f）），在可见光波段产生布拉格散射并呈现结构色，同时作为等效介质实现强辐射制冷功能。
总体而言，周期性微纳结构可以实现辐射制冷材料光谱性质的精准调控。一维周期性结构具有设计简单、易于制备等优势，但是存在角度依赖性强等问题。二维和三维周期结构可以增强红外发射、具有非角度敏感性，但是会涉及光刻和激光刻蚀等相关加工技术，大大增加了制造成本。因此，进一步平衡辐射制冷性能和制造成本之间的关系，是推动周期性微纳结构材料发展的关键。
非周期性微纳结构的设计与光谱调控
非周期性微纳结构凭借结构设计灵活、制备成本可控及规模化制备潜力突出等优势，成为辐射制冷材料的结构设计方法中一类具有代表性的路径。该结构的核心设计逻辑是通过多尺度结构构建与组分协同优化，实现太阳波段的高效反射与中红外波段的高效发射，并调控不同波段光谱的协同或解耦。
多孔微纳结构以孔隙参数与基体特性的协同优化为核心，通过多重散射机制增强太阳光反射，同时利用材料本征性能与结构改性提升红外发射性能。2018年报道的多孔聚合物（P（VdF−HFP）HP）中，微米级孔洞（约5.5 μm）能散射近红外波段（0.7~2.5 μm），纳米级孔洞（约0.2 μm）则聚焦紫外与可见光（0.3~0.7 μm）散射（图3（a））。2024年报道的纤维素研磨异质拓扑结构，通过湿法球磨调控纤维素微晶（MCC）的塑性变形与重组，形成3级尺度异质结构。
微纳颗粒复合结构通过颗粒类型、分散浓度及形貌设计实现光学性质的优化。颗粒的分散浓度与基体的适配性会直接影响调控效果，如杨荣贵团队设计将随机分布的SiO2微球（直径约8 μm）以6%的体积分数分散于聚甲基戊烯（TPX）基体中，首次实现了太阳光反射与红外发射的解耦控制。陶光明团队研发的辐射制冷超织物采用分层形态学设计（图3（b）），实现了跨波段精准调控。太阳光谱区间通过TiO2宽粒径分布（200~1600 nm）的米氏共振散射与聚四氟乙烯（PTFE）纳米珠反射协同，达到92.4%的平均反射率；在大气透明窗口波段（8~13 μm），依托聚乳酸（PLA）纤维的化学键振动与30 μm纤维尺寸的多重散射，实现了94.5%的平均发射率。PLA的C=O、C—O键进一步拓宽了中红外（4~25 μm）发射带宽，增强超环境温度散热能力（图3（c））。
纤维的微纳结构通过精准调控纤维的直径、形貌和组分来实现光学响应特性，从而显著提升辐射制冷性能。清华大学张如范团队通过协同利用聚甲醛（POM）分子振动限制效应与纳米纤维结构散射调控，制备出一种适用于多场景的环境自适应型人体辐射制冷纳米纤维织物。该织物采用静电纺丝制备，POM纳米纤维直径为0.3~1.0 μm，与太阳光波长匹配；单根纤维表面存在多孔结构（图3（d）~（e）），可通过多级米氏散射显著提升太阳光反射，在太阳波段（0.3~2.5 μm）反射率达94.6%，大幅减少太阳能吸收。与此同时，POM的C—O—C键振动吸收频率位于8~13 μm大气透明窗口范围内，赋予材料在该波段75.7%的高发射率；而在非窗口波段4~8 μm和13~25 μm范围内，其透射率仍保持在约70%（图3（f）），利于人体热量散出，实现环境自适应制冷。
在此基础上，为进一步解决夏季实际应用场景中的辐射制冷织物吸湿排汗和人体热量及时导出问题，该团队又通过合理构建传热模型与优化光谱设计，开发出适用于高温户外环境的多功能“超织物”。该材料在真实人体皮肤表面实现了高效降温（图3（g）~（i）），被超织物覆盖的皮肤平均温度为32.5℃，具有重要的实际应用价值。
在建筑节能领域，该团队提出并制备了一种基于POM−PTFE聚合物薄膜−金属的双选择热发射体。其中，POM纳米纤维与PTFE微米颗粒形成“串珠状”复合结构（图3（j）~（k）），并结合金属铝箔基底，实现了大气双窗口协同优化。具体而言，POM纤维的C—O—C键振动匹配第一大气窗口（8~13 μm），PTFE的C—F键振动匹配第二大气窗口（16~25 μm）（图3（l）），发射率超过95%。该结构明显优于已报道的辐射制冷热发射体样品。
非周期性微纳结构体系的工程化优势显著。总体来看，非周期性微纳结构通过多尺度参数协同与组分适配，实现了光谱调控灵活性与工程化可行性的平衡，为辐射制冷技术的实际应用提供了重要支撑。
仿生型微纳结构的设计与光谱调控
仿生型微纳结构设计借鉴自然界生物的高效光谱适应策略，通过复刻或优化生物体表的微纳形态，实现太阳光谱高反射与中红外高发射的协同调控，为设计新型辐射制冷材料提供了创新路径。
撒哈拉银蚁的体表微纳结构为仿生设计提供了经典原型（图4（a））。该结构在中红外波段等效为渐变折射率层，有效降低表面反射损耗，进而提升中红外发射率，强化黑体辐射散热（图4（b））。受此启发，辐射制冷木材通过“完全脱木质素+机械压制”2步工艺实现了仿生优化。木质素去除后，木材内部暴露出纤维素骨架，显著增强了光散射能力（图4（c））；进一步机械压制后，纤维素纳米纤维也进一步提升了对太阳光的散射与反射效率（图4（d））。
仿生光学薄膜采用“金字塔阵列复合随机陶瓷颗粒”微纳结构设计，实现了约95%的高太阳光反射率与大于96%的高红外发射率。受金龟子鞘翅分层多孔结构启发，研究人员进一步开发出彩色辐射制冷器（图4（e）），协同提升了太阳光反射率（93.4%）和红外发射率（92.3%）（图4（f））。当该材料应用在汽车引擎盖上时，可实现比商用膜低21.2℃的降温效果，解决了美观与功能的矛盾。
仿生型微纳结构的核心设计在于通过模拟自然进化的优化结果，实现结构简化与功能强化的统一，既破解了传统材料的功能权衡瓶颈，又具备天然的界面适配性与性能稳定性。未来需进一步深化生物结构的光学机制解析，结合先进制备技术实现结构精准复刻与规模化生产，推动仿生辐射制冷技术的工程化应用。
当前研究面临的核心瓶颈
光谱调控的精准性不足
辐射制冷技术的规模化应用受限于光谱调控的精准性不足，且面临显著的光学性能天花板效应，致使净制冷功率较低。
- 各波段匹配精度不足。现有材料的光谱发射特性多为静态设计，难以实时适应不同气候条件下的窗口偏移，导致热量无法高效辐射至外太空。这一问题在复杂气象条件下尤为突出，需通过精确设计材料微纳结构来优化光谱选择性。
- 太阳光谱反射覆盖不全。太阳光谱能量主要集中于可见光（0.4~0.7 μm）和近红外波段（0.7~2.5 μm），但多数材料在近红外波段反射率骤降。目前研究的散射机制较单一，对层级结构协同调控的关注仍显不足。空间维度研究忽略纵向梯度折射率匹配需求，尺度维度缺乏纳米颗粒、微米孔隙与毫米级表面结构的多尺度协同，存在界面间损耗和耦合极限。
- 在材料多功能集成过程中难以保持材料的光谱调控稳定性。材料在实际应用中需兼顾美学（如建筑外墙彩色涂层）或功能性（如车窗透明膜）的要求，但着色剂或透明层会降低特定波段太阳光反射率。此外，材料的动态调控技术不够成熟，理想的辐射制冷材料需随季节切换制冷与保温模式（如冬季减少辐射散热），但现有的光谱动态调控技术面临响应速度慢、耐久性差、调控性能不足的问题，难以满足实际需求。
环境适应性不足
辐射制冷技术的实际应用推广，受制于环境适应性不足及实际户外热管理系统的失衡。环境稳定性薄弱是首要制约因素，在高湿环境下（相对湿度>80%），水汽渗透易导致辐射制冷材料的太阳光反射率下降，还会导致纳米孔道结构发生不可逆塌缩，使制冷功率严重衰减。
实际户外使用时，热管理系统失配问题突出。在亚环境冷却场景中，基底材料普遍存在寄生热，易反向传导严重削弱制冷效率。
规模化制备矛盾和产业认知偏差
辐射制冷技术的产业化进程受规模化制备矛盾、检测标准缺失和市场认知偏差等多种因素制约。在制备层面，高精度结构（如光子晶体）依赖光刻或蒸镀工艺，成本昂贵，而喷涂等低成本工艺易导致不同批次样品的孔隙率出现偏差。规模化制备的样品性能相比于实验室样品性能明显下降，严重影响户外实际应用效果。粉末涂料需确保基材表面均匀附膜，但大面积涂布易出现厚度偏差，影响制冷性能，现有工业手段难以兼容高性能与低成本量产。
在产业规范层面存在明显短板，尚无统一的辐射制冷效能评估标准，耐久性测试也缺乏共识，数据可比性差。市场应用也面临瓶颈，终端适配性不足。消费者认知存在偏差，误将凉感纤维等同于辐射制冷纤维，且颜色、透明度与高反射率的冲突制约彩色辐射制冷材料和透明辐射制冷材料的设计，进一步阻碍相关市场的发展。
虽然仍存在上述问题，但通过科技的进步和人工智能（AI）的发展，辐射制冷材料制备工艺不断优化、跨行业制造技术相互借鉴及性能评估标准化体系正在逐步完善。
未来研究方向
未来，辐射制冷材料在微纳结构设计的精准化与多功能集成、智能动态光谱调控技术和新型材料体系设计等发展方向具有较大的潜力。
微纳结构设计的精准化与多功能集成
精准化设计以多尺度参数协同为核心，通过调控微纳结构的尺寸（孔径、颗粒直径）、形貌（梯度、核壳结构）、维度（0~3D复合）和互易性，结合时域有限差分法（FDTD）、机器学习等理论工具，实现太阳光谱反射与红外发射的匹配，突破单一结构的光谱调控局限，大幅提升光热转换效率的可控性。近年来，AI的发展为辐射制冷材料的结构设计提供了新的思路。这种AI优化策略不仅大幅度缩短微纳结构设计的周期，更解决了传统结构光谱匹配度低、多目标协同难的痛点，为应用于不同场景的高效辐射制冷材料的研发提供了理论支撑。
多功能集成则聚焦实际应用需求，打破光、热、力性能割裂的瓶颈。在保障高反射与高发射核心光学性能的同时，通过界面改性和复合结构设计，集成力学强度、抗紫外老化、抗湿热侵蚀等环境适应性，以及透气、黏结、柔性等场景适配特性，进一步拓展辐射制冷材料在建筑节能、个人热管理、电子散热、能源系统、环境保护和水资源管理等领域的融合及应用（图5）。
图5（a）中，通过集成柔性有机光伏（OPV）模块直接获取太阳能，并结合双向电致热（EC）装置，开发出一种灵活且可持续的个人温控服装系统（OETC）。图5（b）展示了一种由多层介质堆叠构成的光子冷却器，该轻量化被动辐射冷却器可用于增强聚光光伏系统效率。被动日间辐射制冷装置（PDRC）在集水领域也具有广泛的应用前景，如图5（c）所示。
总体来看，微纳结构精准设计与多功能集成在破解传统辐射制冷材料功能单一、性能衰减难题的同时，为辐射制冷技术从实验室走向规模化应用提供了核心支撑，这也是该领域未来发展的关键方向之一。
智能动态光谱调控技术
智能动态光谱调控技术是辐射制冷领域的前沿方向之一，其核心是通过集成外界刺激响应单元与微纳结构设计，实现太阳光反射率或红外发射率的可逆切换，突破传统静态辐射制冷材料“单一光谱特性”的适配局限，为适用于复杂多变的应用环境提供了创新解决方案。该技术已展现出广阔的应用潜力，在建筑节能领域，可随季节温度变化动态调节制冷性能，降低空调能耗；在电子设备散热领域，能按需启动制冷功能，避免过度散热导致的能量浪费；在智能织物领域，可根据环境温度或光照自动切换光谱特性，提升穿戴舒适性，实现“按需制冷”的智能化目标。
温度是常见的外界刺激条件，通过温度变化实现自动切换的动态红外辐射冷却器（DIRC）（图6（a）），主要利用热响应水凝胶的温度触发相变特性，通过水分子的定向迁移驱动POM纳米纤维层在选择性发射（8~13 μm）和宽带发射（2.5~25 μm）间自主切换。在亚环境冷却场景中，选择性红外发射率为81.6%，超环境冷却场景中，自动切换为发射率高达94.1%的宽带红外发射模式，实现中红外波段的智能调节（图6（b））。
清华大学张如范团队通过外力注入或移除电解液，构建了“三波段协同−双机制耦合”的液流电致变色智能窗（图6（c））。该智能窗具有2大明显优势，第一，实现了可见光−近红外−中红外3波段的动态独立可调，突破了传统电致变色智能窗单/双波段调控的技术瓶颈；第二，首次将微流控技术引入电致变色体系，不仅开创了液流技术在光热管理领域的新应用范式，更赋予电解液兼具离子传输与热辐射调制的双重功能特性。所制备的液流电致变色智能窗对可见光和近红外波段透过率的调控幅度达到43.53%，对中红外波段发射率的调控幅度达到74%（图6（d）），满足四季分明城市的调控需求。
在建筑领域开发能够动态调节、多波段响应且具备多色彩视觉效果的辐射热调控材料，是实现高效非透明围护结构亟需解决的科学难题。张如范团队开发的电驱动动态多色彩辐射热调控材料与传统材料单一的调控机制不同，不仅能够在多个波段上进行灵活调节，还能通过电流驱动实现颜色的变化，以适应不同季节和环境条件的能效需求（图6（e））。这一材料的创新性在于其通过可逆金属电沉积技术实现了动态热辐射调节，突破了传统材料仅限于静态热调节的瓶颈（图6（f））。
在此基础上，该团队还将电致变色技术整合于建筑外围护结构，开发出一套集动态光热调控窗与选择性动态辐射冷却调节器于一体的智能节能系统（图6（g）），实现了建筑对太阳光和热辐射的按需动态管理，为下一代绿色建筑提供了创新解决方案。光谱数据显示，该窗户在可见光波段透射率调控幅度高达92%，在近红外波段的调控幅度高达82%，可有效控制进入室内的光线和热量（图6（h））。该技术为发展能够动态响应环境、兼顾能效与美学的下一代绿色建筑提供了新的技术路径。
除电驱动系统外，近年来热致变色和光致变色等智能动态光谱调控技术也展现出了广泛的应用前景。热致变色智能窗以钨掺杂二氧化钒（VO2）为核心材料，该材料兼顾可见光透明性与太阳光透射调制，在不同气候区均比商用低辐射玻璃节能，为建筑热管理提供了自适应光谱调控方案。光致变色材料则为被动智能调控提供了另一条可行路径。光致变色钆氧氢化物（GdOxHy）薄膜通过光诱导氢/氧离子重排，实现可见光−近红外−中红外3波段的动态调制。
未来，智能动态调控需进一步优化响应灵敏度、循环稳定性与规模化制备工艺，推动智能动态辐射制冷技术从实验室走向实际应用。
新型材料体系设计
辐射制冷技术的性能突破与产业化推进，需要依托创新的模拟方法和开发新型材料体系。新型材料体系聚焦多元特性融合，如超构材料体系中，微金字塔超材料兼具辐射制冷、自清洁及光线管理功能；生物基材料体系中，以纤维素、甲壳素等天然生物基材料构建可持续的多孔散射结构，兼顾环保性与光学性能；仿生纤维素制备表面微纳褶皱的类皮肤纤维材料，提升光谱性能；仿荷叶超疏水结构，实现功能集成；工程应用突破体系中，开发水泥基辐射制冷涂料，户外耐久性提升，满足工程化使用。与此同时，计算模拟和设计方法的进步正成为新型材料体系开发的重要支撑。
结论
辐射制冷材料微纳结构设计与光谱调控的核心逻辑，是通过精准调控微纳结构的尺寸、形貌、周期性，实现太阳波段反射与中红外波段发射的协同优化。不同的微纳结构体系各有其优势与适用场景：周期性结构光谱调控精准度高，适用于对波段选择性要求严苛的高端器件；非周期性结构制备成本低、规模化潜力大，适用于建筑或纺织等民用领域；仿生型结构易实现单一微纳结构的多功能集成，为辐射制冷材料设计提供新的结构模式，同时又具备天然的界面适配性与性能稳定性，适用于跨学科融合创新领域。
未来，辐射制冷的应用研究聚焦3大关键方向：微纳结构设计的多尺度精准协同与多功能集成、智能动态调控机制的深化、新型辐射制冷材料体系的开发。此外，注重平衡材料性能与成本、突破环境稳定性瓶颈并建立统一的效能评估与寿命测试标准，有望推动辐射制冷技术从实验室研究走向规模化和场景化的实际应用。
