本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，特別涉及納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的自清潔輻射制冷材料制備方法。

背景技術(shù)：

1、納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的自清潔輻射制冷材料作為一種新興的功能材料，近年來在能源、環(huán)境和建筑等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。隨著全球氣候變化和能源危機的加劇，如何有效利用自然資源進行冷卻和減少能源消耗成為了研究熱點。輻射制冷是一種利用材料在特定波長范圍內(nèi)的高效輻射性能，通過向外太空輻射熱量來實現(xiàn)降溫的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的機械制冷方式，輻射制冷具有無能耗、無污染和高效的優(yōu)點。然而，現(xiàn)有輻射制冷材料在實際應(yīng)用中仍存在許多問題，例如材料的表面污染和性能下降等，限制了其大規(guī)模應(yīng)用和推廣。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，輻射制冷材料的研究主要集中在以下幾個方面：傳統(tǒng)輻射制冷材料多采用金屬氧化物(如二氧化鈦、氧化鋁)和高分子材料(如聚四氟乙烯)等。這些材料在紫外和紅外波段具有較好的反射和發(fā)射性能。然而，這些材料的單一尺度結(jié)構(gòu)在特定波長范圍內(nèi)的性能優(yōu)化有限，難以在廣泛的頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高效輻射。為了提高材料的自清潔性能，研究者們嘗試在材料表面引入疏水或親水基團，通過表面修飾技術(shù)(如化學(xué)氣相沉積、溶液處理)實現(xiàn)表面功能化。然而，這些方法在長期使用中容易失效，表面功能團的穩(wěn)定性和持久性難以保證，導(dǎo)致材料的自清潔效果逐漸減弱。分子動力學(xué)模擬作為一種重要的研究工具，被廣泛應(yīng)用于納米材料的設(shè)計與優(yōu)化。通過模擬材料在不同條件下的動態(tài)行為和能量變化，可以指導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化。然而，現(xiàn)有模擬技術(shù)主要集中于單一尺度的模型，缺乏對多尺度結(jié)構(gòu)和復(fù)雜功能團的系統(tǒng)性研究，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際應(yīng)用之間存在差距。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的自清潔輻射制冷材料制備方法，可以在寬頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高效輻射和持久自清潔性能，確保材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性和長期性能，降低維護成本，提高材料的應(yīng)用價值。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的自清潔輻射制冷材料制備方法，所述方法包括：

3、步驟1：設(shè)計自清潔輻射制冷材料的初始納米結(jié)構(gòu)模型為多尺度周期性納米晶體，具有不同尺度的嵌入式功能團；

4、步驟2：基于初始納米結(jié)構(gòu)模型，使用分子動力學(xué)進行多尺度模擬，以最小化模型總能量并獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，得到此時的納米結(jié)構(gòu)模型；

5、步驟3：基于納米結(jié)構(gòu)模型，制備自清潔輻射制冷材料。

6、進一步的，步驟1具體包括：定義基本晶胞的大小和體積；在基本晶胞中嵌入多個尺度的功能團，每個功能團根據(jù)其幾何形狀計算體積；將基本晶胞在三維空間中復(fù)制，形成周期性結(jié)構(gòu)；計算初始納米結(jié)構(gòu)模型的總體積，確保各尺度結(jié)構(gòu)和周期性邊界條件的一致性。

7、進一步的，初始納米結(jié)構(gòu)模型的總體積使用如下公式進行表示：

8、

9、其中，vinitial為初始納米結(jié)構(gòu)模型的總體積；nx、ny和nz分別為在三維空間中x軸、y軸和z軸方向上復(fù)制基本晶胞的次數(shù)；s表示嵌入功能的尺度數(shù)量；mi為第i尺度中的功能團數(shù)量；vij為第i尺度中第j個功能團的體積；每個尺度中，被嵌入的功能團通過三類粒子進行描述和模擬，包括：經(jīng)典粒子、量子粒子和宏觀粒子；i和j均為下標(biāo)索引。

10、進一步的，步驟2具體包括：對于每個尺度中被嵌入的功能團，初始化其第i個經(jīng)典粒子的位置為ri(0)，速度為vi(0)；初始化其第i個量子粒子的波函數(shù)為ψi(r，0)；初始化其第i個宏觀粒子的位置為ri(0)，速度為vi(0)；在每個時間步，利用經(jīng)典粒子運動方程更新經(jīng)典粒子的位移和速度，通過解時間依賴性薛定諤方程來更新量子粒子的位置和速度，利用宏觀粒子運動方程更新宏觀粒子的位移和速度；計算相互作用勢能；在每個時間步長δt內(nèi)，通過以下步驟進行迭代，直至模型總能量etotal和量子態(tài)密度矩陣ρ(r)均滿足收斂條件：計算當(dāng)前總能量更新所有粒子的狀態(tài)，重新計算力和勢能；其中，r＝(x，y，z)，是粒子在空間中的位置向量，其中x、y和z分別是位置向量在三個坐標(biāo)軸上的分量。

11、進一步的，使用如下公式，計算當(dāng)前總能量

12、

13、其中，表示對所有經(jīng)典粒子的求和；n為經(jīng)典粒子的總數(shù)；pi為第i個經(jīng)典粒子的動量；mi為第i個經(jīng)典粒子的質(zhì)量；v(ri)為第i個經(jīng)典粒子在位置ri處的勢能；uij(ri，rj)為第i個和第j個經(jīng)典粒子之間的相互作用勢能；為對所有量子粒子的求和；∈j為第j個量子粒子的能量本征值；αj為與量子粒子相關(guān)的能量耦合系數(shù)；|ψj(rj)|2為第j個量子粒子波函數(shù)在位置rj處的概率密度；為對所有宏觀粒子的求和；pk為第k個宏觀粒子的動量；mk為第k個宏觀粒子的質(zhì)量；vint(rk)為第k個宏觀粒子在位置rk處的內(nèi)部相互作用勢能；wkl(rk，rl)為第k個和第l個宏觀粒子之間的相互作用勢能；γij(ri，ψj)為第i個經(jīng)典粒子和第j個量子粒子之間的相互作用能量；ξkm(rk，rm)為第k個宏觀粒子和第m個經(jīng)典粒子之間的相互作用能量；m為量子粒子的數(shù)量；l為宏觀粒子的數(shù)量；k為下標(biāo)索引；l為下標(biāo)索引。

14、進一步的，模型總能量etotal的收斂條件使用如下公式進行表示：

15、

16、其中，為第n次迭代的總能量；為第n+1次迭代的總能量；δe為能量變化量；∈e為能量收斂閾值，是一個預(yù)設(shè)正數(shù)；量子態(tài)密度矩陣ρ(r)的收斂條件使用如下公式進行表示：

17、δρ＝∫|ρ(n+1)(r)-ρ(n)(r)|dr<∈ρ；

18、其中，ρ(n)(r)為第n次迭代的量子態(tài)密度矩陣；ρ(n+1)(r)為第n+1次迭代的量子態(tài)密度矩陣；δρ為密度矩陣變化量；∈ρ為密度矩陣收斂閾值，是一個預(yù)設(shè)的正數(shù)。

19、進一步的，在每個時間步，利用經(jīng)典粒子運動方程更新經(jīng)典粒子的位移和速度的公式如下：

20、

21、其中，ri(t)為第i個經(jīng)典粒子在時間t時刻的位置向量；ri(t+δt)為第i個經(jīng)典粒子在時間t+δt時刻的位置向量；vi(t)為第i個經(jīng)典粒子在時間t時刻的速度向量；vi(t+δt)為第i個經(jīng)典粒子在時間t+δt時刻的速度向量；δt為時間步長；ai(t)為第i個經(jīng)典粒子在時間t時刻的加速度；bi(t)為第i個經(jīng)典粒子在時間t時刻的加速度的時間導(dǎo)數(shù)；為第i個經(jīng)典粒子在時間t時刻受到的外部力；γi為外場耦合系數(shù)，用于描述第i個經(jīng)典粒子與外部力場的相互作用強度。

22、進一步的，通過解時間依賴性薛定諤方程來更新量子粒子的位置和速度時，時間依賴性薛定諤方程使用如下公式進行表示：

23、

24、其中，ψj(r，t)為第j個量子粒子在時間t的波函數(shù)；為普朗克常數(shù)；為第j個量子粒子的拉普拉斯算子；mj為第j個量子粒子的質(zhì)量；veff(rj，t)為第j個量子粒子在位置rj和時間t處的有效勢；g|ψj(r，t)|2為非線性項，描述量子粒子自相互作用；∑kλkcos(ωkt)rj·ek(t)為時間依賴的外場項，其中λk為耦合系數(shù)，ωk為頻率，ek(t)為時間t時的外部電場；

25、ψj(r，t+δt)＝u(t+δt，t)ψj(r，t)；

26、其中，u(t+δt，t)為時間演化算符，使用如下公式進行表示：

27、

28、其中，v為哈密頓算符的動能部分；t為哈密頓算符的勢能部分；δ虛數(shù)符號。

29、進一步的，使用如下公式，利用宏觀粒子運動方程更新宏觀粒子的位移和速度：

30、

31、其中，rk(t)為第k個宏觀粒子在t時刻的位置；rk(t+δt)為第k個宏觀粒子在t+δt時刻的位置；vk(t)為第k個宏觀粒子在t時刻的速度；vk(t+δt)為第k個宏觀粒子在t+δt時刻的速度；ak(t)為第k個宏觀粒子在t時刻的加速度；ak(t+δt)為第k個宏觀粒子在t+δt時刻的加速度。

32、本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的自清潔輻射制冷材料制備方法，具有以下有益效果為：本發(fā)明通過多尺度周期性納米晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，大幅提升了材料的輻射制冷效率。傳統(tǒng)輻射制冷材料多采用單一尺度的納米結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計在特定波長范圍內(nèi)可以實現(xiàn)較好的輻射性能，但在寬頻譜范圍內(nèi)的效果有限。本發(fā)明通過引入多尺度結(jié)構(gòu)，不同尺寸的納米晶體單元在紫外、可見光和紅外波段分別優(yōu)化材料的反射和發(fā)射性能，從而在更廣的頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高效輻射。這種多尺度設(shè)計使得材料能夠更有效地反射太陽光并輻射熱量，從而顯著降低表面溫度，提高輻射制冷效率。其次，本發(fā)明利用分子動力學(xué)模擬技術(shù)對納米結(jié)構(gòu)進行多尺度優(yōu)化，確保材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性和功能性能。分子動力學(xué)模擬能夠精確捕捉納米結(jié)構(gòu)在不同溫度和壓力條件下的動態(tài)行為和能量變化，通過對總能量的最小化，找到一個系統(tǒng)能量最低且穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這樣的優(yōu)化過程不僅提高了材料的穩(wěn)定性，還確保了其在實際應(yīng)用中的長期性能和耐久性。通過多尺度模擬，本發(fā)明能夠系統(tǒng)性地研究不同尺度結(jié)構(gòu)和功能團在材料中的相互作用，提供更加準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)，從而實現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計。再次，本發(fā)明通過在納米晶體結(jié)構(gòu)中嵌入具有特定功能的化學(xué)基團，實現(xiàn)了材料的自清潔功能。傳統(tǒng)的表面修飾方法在長期使用中容易失效，而本發(fā)明通過在多尺度結(jié)構(gòu)中引入功能團，如親水性和疏水性基團，利用化學(xué)鍵或物理吸附的方式固定在納米晶體中，確保功能團的穩(wěn)定性和持久性。例如，親水性基團能夠在材料表面形成水膜，使污垢容易被水沖洗掉；疏水性基團則能夠降低表面的表面能，使水珠在表面形成球狀并滾落，帶走表面污垢。通過這種嵌入式設(shè)計，材料在使用過程中能夠保持表面潔凈，減少維護成本。