许多户外应用场景既需要对温度进行调控，又要求具备对环境（探测）的自我防护能力，而这二者在光学特性上往往相互矛盾，因此催生了众多针对多光谱伪装与辐射冷却性能的材料设计。然而，基于一维光子晶体或超表面的方法通常依赖于严苛的制备工艺，并可能导致强烈的角度依赖性。为了解决上述问题，南京大学朱斌教授、朱嘉教授、陆延青教授和中国科学院长春光机所李炜研究员，通过分子尺度与微尺度相结合的跨尺度层级设计和结合可扩展的卷对卷静电纺丝技术，制备了一种铝-聚酰胺66金属基聚合物双层薄膜。该薄膜实现了在红外波段（3–5 μm与8–14 μm）和激光波段（10.6 μm）的有效伪装，同时在非大气窗口（5–8 μm与14–20 μm）具备高效的辐射冷却能力，且在－60°至60°范围内表现出弱角度依赖性。此外，该薄膜可通过调控发射率与颜色，在不同环境中平衡伪装与冷却需求。相关研究成果以Hierarchical design and scalable production of radiative cooling film featuring multispectral camouflage为题发表在Nature Communications期刊上。
本文针对户外场景对温度调节与多波段伪装兼容性的需求，提出一种基于分子与微结构协同设计的分级化策略。如图1所示，通过筛选官能团，选定聚酰胺66作为核心聚合物，以构建在中红外非大气窗口（5–8 μm和14–20 μm）具有高发射率（用于冷却）而在大气窗口（3–5 μm和8–14 μm）及10.6 μm激光处具有低反射/高吸收（用于伪装）的理想光谱。采用可扩展的卷对卷静电纺丝技术制备了铝-PA66双层薄膜（X-film）。如图2所示，该薄膜呈白色、柔性，其PA66纤维直径约为100 nm（图2b），且光谱特性可通过PA66层厚度（X30至X72）灵活调控（图2d），在-60°至60°范围内展现出弱角度依赖性（图2e, f）。性能测试表明，X薄膜能有效降低被覆盖热源的红外信号（图3b, c），相比铝箔（X0）可实现5–12 °C的额外降温（图3d），且所需维持功率更低（图3e）。其激光伪装能力源于PA66吸收与铝箔基底几何散射的协同作用（图3h）。经聚乙烯封装后（XNP），薄膜在严苛环境下仍保持性能稳定（图3j, k）。实际应用演示显示，基于X薄膜的织物在人体模型上同时实现了优于铝织物的可见光伪装、相当的红外与激光伪装（图4a-d），以及更优的散热性（图4c）。其弱角度依赖性确保了多视角下的伪装一致性（图4e），并能通过着色与区域性设计，在复杂背景中实现多维度的有效融合（图4f）。
图1多光谱伪装的概念与设计。(a) 从可见光到中红外波段的多光谱伪装理想光谱。它包括可见光伪装（在0.38-0.78 μm波段呈现颜色）、中红外伪装（在3-5 μm和8-14 μm波段具有低发射率）、激光伪装（在10.6 μm处具有高吸收率）以及热耗散通道（HDC，在5-8 μm和14-20 μm波段具有高发射率，用于辐射冷却）。蓝色阴影区域代表大气透射光谱。(b) 纤维膜的微观结构示意图。基底上的随机堆叠结构带来了中波红外和长波红外波段的低发射率，并具有弱角度依赖性。(c) 具有基本长链和各种官能团的聚合物示意图。(d) 化学键振动产生红外辐射的示意图。橙色和蓝色球体代表碳原子；灰色球体代表氢原子。(e) 常见有机化合物中可能吸收峰的中红外分布图，用于材料筛选。红色、蓝色、紫色和灰色阴影区域分别代表强、中、弱和不确定的吸收强度。虚线标出了3 μm、5 μm、8 μm、14 μm和20 μm的边界，分别对应于3333 cm⁻¹、2000 cm⁻¹、1250 cm⁻¹、714 cm⁻¹和500 cm⁻¹。"是"和"否"表示该区域根据理想光谱需要或不需要存在吸收峰。筛选后，理想的聚合物只能由烷基、酰氨基和羰基组成，它们已被黄色边框圈出。最终，聚酰胺被确定为最合适的材料。
图2 X薄膜的制备与表征。(a) 柔性、米级X薄膜的光学照片。它在可见光波段呈现白色，并在大气窗口内具有选择性低发射率。(b) PA66纤维直径的统计分布。插图展示了PA66薄膜的扫描电子显微镜图像。(c) 直径范围为0.1至10 μm的PA66纳米纤维在中红外波段的散射效率（SE）模拟结果。(d) 具有不同PA66薄膜厚度的一系列X薄膜的中红外光谱。X后面的数字表示PA66薄膜的厚度，单位为μm。铝基底的厚度为25 μm。(e) 模拟模型在中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段，对应于-60°至60°不同入射角的归一化反射率。角度尺寸代表与样品表面法线的夹角。(f) X30薄膜在LWIR波段的反射光谱随角度的变化关系。观察到X薄膜具有弱角度依赖性，这在实际应用中非常理想。(g) 彩色X薄膜的光学照片。它们可以通过单种或两种颜料的混合呈现出各种颜色。(h) 具有三原色的X薄膜的中红外光谱。添加颜料后，其选择性光学性能保持良好。(i) 具有三原色的X薄膜在CIE色度图上的分布。
图3 X薄膜的多光谱伪装与辐射冷却性能。(a) 不同对照组的光学照片。对照组包括无覆盖（裸露）、铝箔（X0）以及X薄膜（X30、X45、X62、X72）。加热片与样品的尺寸均为10 cm×10 cm。比例尺：5 cm。(b, c) 分别为长波红外（LWIR）与中波红外（MWIR）照片。X薄膜的伪装性能随PA66薄膜厚度减小而增强。(d) 裸露对照组与覆盖X0及X薄膜的样品之间的温差。(e) 在将加热片温度维持在55℃时，不同对照组记录的加热功率对比。X薄膜比铝箔具有更好的辐射冷却性能。(f) 在10°至60°不同观察角度下拍摄的红外照片。这验证了X薄膜具有弱角度依赖性。(g) 用于验证10.6 μm处激光伪装性能的室内模拟实验示意图。波长为10.6 μm的光由量子级联激光器发射，背向信号由光功率计接收。(h) 沉积在不同基底（光滑铝板与褶皱铝箔）上、具有不同PA66薄膜厚度的X薄膜在10.6 μm处的反射率。数据以均值±标准差表示（n=3）。这表明X薄膜的激光伪装潜力不仅源于PA66在10.6 μm处的吸收，也归因于褶皱柔性铝箔基底引起的几何散射效应。(i) XNP薄膜的中红外光谱。在X薄膜表面封装聚乙烯薄膜后，其光谱曲线形状基本保持不变。(j) 经历耐久性测试后XNP薄膜的质量变化。(k) 经历耐久性测试后XNP薄膜在8-14 μm波段的反射率变化。其质量与LWIR反射率均无变化，表明其环境耐久性良好。
图4 面向多种环境的优化设计伪装。(a, b) 穿着在人体模型上的X织物与铝织物的红外及光学照片。X织物能表现出与铝织物相似的红外伪装效果，同时具有更好的可见光伪装能力。比例尺：20 cm。(c) 穿着X织物与铝织物时胸部与腹部的温度对比。(d) 在不同激光功率下X织物与铝织物的红外照片。图中不同温度的亮斑是由量子级联激光器发出的10.6 μm激光经不同衰减器后照射到织物表面产生的反射信号所致。温度越高表明激光伪装性能越差。插图展示了这些亮斑的放大图像。0.1 P、0.03 P与0.018 P分别表示激光功率衰减至原始功率的0.1、0.03与0.018倍。比例尺：20 cm。(e) 人体模型穿着X织物与铝织物在-60°、-30°、30°及60°观测角度下的红外照片。验证表明，X织物在不同探测角度下均展现出与铝织物相似的红外伪装性能，并因其弱角度依赖性而保持颜色一致性。比例尺：20 cm。(f) 真人穿着由白色棉织物、绿色棉织物以及分区优化设计的绿色X织物制成的背心在灌木丛背景下的红外与光学照片。X织物在可见光与红外波段均能实现与灌木丛背景的有效伪装。比例尺：20 cm。
小结：综上所述，本研究提出了一种通过跨尺度层级化设计的铝-PA66金属基聚合物双层薄膜，该薄膜适用于红外及激光波段的多光谱伪装，并在非大气窗口波段展现出高效的辐射冷却性能。其在长波红外波段于-60°至60°范围内具有经实验验证的弱角度依赖性。通过一系列不同厚度的X薄膜在实际测试中的表现，其伪装与散热性能的有效性得到了证实。X薄膜可通过针对性设计，适配白墙、灌木丛、沙地等多种环境的多光谱伪装与热管理需求。此外，该研究展示了一种面向聚合物基复杂光谱设计的官能团筛选方法，这为聚合物基光子学设计与器件开发开辟了新的研究路径。
