Light: Sci Appl 封面级研究 | 上交大团队研制双层光子超材料，被动降温至145K刷新纪录

前言

近日，由上海交通大学领衔的研究团队，在《Light: Science & Applications》期刊上发表了一项突破性研究成果(https://doi.org/10.1038/s41377-026-02372-9)。他们受Hibbard理论启发（该理论指出，若涂层能在0.2-8μm超宽带范围内反射99.9%的太阳辐照，便可将平衡温度降至66K），成功设计出一种双层光子随机介质超复合材料，实现了97.3%的加权太阳反射率，创下了被动热控涂层的新纪录。

核心突破

该材料的设计灵感源于光散射的基本物理规律。研究团队发现，散射体的尺寸与其作用的光波长存在对应关系：

亚波长尺度（瑞利散射区）：散射效率低，适合短波

波长尺度（米氏散射区）：散射效率达到峰值

超大尺度（几何光学区）：散射趋于极限

基于这一原理，研究团队构建了双层结构：

上层：粒径约0.7μm的Y₂O₃颗粒（厚度50-100μm），针对0.2-2.5μm短波太阳辐射实现米氏散射增强

下层：粒径约8μm的Y₂O₃微球（厚度500μm），针对2.5-8μm长波太阳辐射补足散射短板

这种“散射区间匹配”设计，使得上下两层各司其职、优势互补，解决了单一介质层在中红外波段反射率骤降的行业难题。

实测性能：145K刷新纪录

在自行搭建的深空模拟器中，研究团队对材料进行了严苛测试：

平衡温度：在AM0太阳模拟器照射下，材料稳定在145K（约零下128℃），比氧化铝对照样品低60K

热控对比：在已报道的热控涂层中，绝大多数平衡温度超过200K，太阳吸收率高于0.1；而该材料的吸收率仅约0.027

辐射散热：在150K低温下，半球发射率约0.7，但由于热辐射功率随T⁴急剧下降，发射率不再是主要制约因素——这验证了“超宽带反射优先”的设计思路的合理性

研究意义

这项研究的更大价值，在于提出了“散射区间匹配”这一普适性设计原则——通过在多尺度上调控散射体尺寸，使不同层级的结构分别响应不同波段的光，从而在无序光子系统中实现宽谱段光谱选择性响应。

这一策略不仅适用于太空热控，还可推广至辐射制冷、红外隐身、光热转换、光学伪装等多个领域，为光子材料设计打开了一扇新的大门。

图1：双层超复合材料用于空间低温热控的原理

图2：双层超复合材料的结构与光学性质

图3：超宽带反射的散射区间匹配机理

图4：双层超复合材料的低温热控性能

图5：地面模拟空间辐照试验后双层超复合材料光学性能的退化

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