科學家造出纖維素光學超材料，實現低於環境溫度5.7℃的製冷效果

今天是 7 月 22 日，也是二十四節氣中夏季的最後一個節氣——大暑。這是一年中最熱的時段，對於以前的古人來說，他們主要通過住涼屋、冰塊、湯藥等傳統方法來降暑。

降暑的本質是溫度調控，而作為一名當代科學家，南京林業大學副教授蔡晨陽則利用自己的專長，於近日造出一種溫控材料——纖維素光學超材料。

該材料的太陽光反射率達到 0.98，紅外發射率達到 0.97，能實現低於環境溫度 5.7℃ 的製冷效果，夏季能節約 40% 的製冷能耗。

研究中，他和團隊利用一步機械化學的方法，將纖維素轉變成了這種光學超材料，該材料具有異型的拓撲結構，在微納米尺度展現出獨特的微觀結構。

實驗結果顯示：其具有良好的光學性能和熱管理功效，有望替代光子晶體和無機納米塗層等日間輻射製冷材料，同時也能讓纖維素材料的高附加值得到更好的利用。

此次材料和光有著非常特殊的相互作用，它的應用場景也和光息息相關，尤其能用於解決戶外太陽光導致的「熱」問題

首先，可以將其做成戶外塗層材料，塗敷在建築物的表面，緩解人們對於夏季空調的依賴程度，這樣一來既能減少空調能耗，也能實現室內降溫。

同時，可以將其塗敷在戶外工作設備上，通過降低設備的工作溫度，能夠減少設備的熱應力和熱膨脹，從而延長設備的使用壽命，減少維修成本和更換成本。

其次，可以將其與熱電裝置結合，塗敷在熱電裝置表面進行耦合，然後利用溫差發電這一原理，即可在戶外產生電壓，以用於給微型設備提供電能。

再次，可以將其用於露水收集。背後原理在於：刷塗塗層之後，利用輻射冷卻這一個物理過程，來降低冷凝板表面的溫度，從而進而提高露水收集的效率，緩解乾旱地區的水資源缺乏問題。

據介紹，隨著世界人口的持續增長和社會經濟的快速發展，全球氣候變暖問題日益突出。在夏季，每年用於製冷活動的能量消耗巨大，約佔全球發電量的 1/7。

而傳統的製冷方式，已經不能完全滿足新型環保節能製冷的需求，因此探索綠色、高效、節能的新型製冷技術，已經成為學界的研究熱點之一。

其中，輻射製冷材料——成為該領域的關鍵研究對象。它的原理在於：一方面能把太陽光反射走，另一方面能把室內熱量自動散發出去（即具有較高的紅外輻射率），從而達到室內降溫的目的。

在這一設計原則的指導之下，人們已經開發了多種日間輻射製冷材料，並主要集中在光子晶體、光學超材料、無機納米塗層、高分子多孔材料和織物等。

美中不足的是，這些材料的製備過程非常複雜、成本也比較昂貴，同時材料來源也不具備可再生性。

因此，蔡晨陽開始設想：能否開發一種可再生的綠色型輻射製冷材料，且其性能可以和已有的輻射製冷材料相媲美？

如前所述，蔡晨陽本身工作於南京林業大學，在研究生物質高附加值材料上擁有一定的天然優勢。

特別是在木材、秸稈、纖維素等天然材料的利用和開發上擁有一定經驗。

於是，他打算基於纖維素，來探索開發上述新材料的可能性。

儘管此前已有關於纖維素日間輻射製冷材料的報導，但是如何實現大規模的生產，始終尚未得到解決。

此外，纖維素結構和輻射製冷之間到底是什麼關係？背後深層次的科學道理是什麼？

帶著上述問題，蔡晨陽希望能夠理解纖維素結構和性能之間的關係。

並希望能夠利用機械化學的方法，來研發能被大規模使用的纖維素光學超材料，進而用於日間的輻射製冷。

「說簡單也簡單，說複雜也複雜」

事實上，讀博期間蔡晨陽已經開始著手開發生物質纖維素功能材料。

當時，他曾造出一種木質纖維素氣凝膠輻射製冷材料，儘管輻射製冷效果還可以，但是由於氣凝膠材料的強度太差，無法大規模地用於建築物外牆。

後來，博士畢業之後，他得到了留校任教的機會。獨立建組之後，他和課題組決定更換材料的成型方式。

於是，他們瞄準了輻射製冷塗層。塗層的優點在於，不僅很容易實現大規模應用，而且只需在建築物表面刷一層，就有希望起到降溫效果。

但是，此前在製備輻射製冷塗層時，人們所選取的原材料大多集中在陶瓷材料、有機聚合物、無機納米材料等。

這樣蔡晨陽不禁感慨：「如果能將纖維素這種可再生材料作為塗層的主體材料，那有該多好！」

說干就干，他和團隊琢磨出了幾種方法：

最初，他們想到了相分離造孔技術，該方法不僅普及度較好，而且操作上比較可行。

「但是，我一想到又要選擇纖維素的溶劑就感到頭疼，因為大多數纖維素良溶劑都是有機體系，存在一定的毒性，於是我就說算了吧，還是能做水系就做水系吧。」蔡晨陽說。

後來，他突然想到之前自己做過球磨。「於是我就想應該把球磨技術用進來，一方面可以減小材料的尺寸，另一方面還能做點化學反應。」他說。隨後，他和團隊開始使用球磨反應來處理纖維素。

球磨反應說不複雜也不複雜，只需把幾個東西加進去磨幾小時就能出來成品。

說複雜也複雜，因為不知道裡面發生了什麼，所以根本無法監測裡面的反應。

當時，他們嘗試了很多反應條件，比如球磨時間、球磨溶液中的物質比例、表面活性劑的種類等。

終於，他們發現使用其中某一組反應條件，所造出來的材料的微觀結構非常有意思。

這和他們之前見過的很多纖維素材料完全不同，呈現出一種類似於樹杈狀的異型結構。

那麼，為什麼通過球磨反應能將棒狀的纖維素、轉換成類似於樹杈狀的多尺度異型材料？

一開始，蔡晨陽等人覺得可能是表面活性劑起著主要作用，但是又沒法直接觀測到這種作用。

「這就難倒我們了，因為如果不知道這種結構是如何形成的，就沒辦法理解它是如何與光學發生相互作用的。」蔡晨陽說。

當時組里正好來了一名碩士生，並擁有力學理論的學習背景。於是，蔡晨陽讓這名碩士生從模擬理論的角度，還原纖維素在球磨過程中的結構變化過程。

利用計算模擬的方法，這名碩士生果然分析出了球磨珠和纖維素的機械作用過程。

並證實：這種輕度的塑性形變、以及不同直徑的球磨珠，導致出現了不同的剪切點，進而造成了異型結構的產生。

「這件事也告訴我們：相互合作、尤其是不同領域的學科交叉合作，可以給科研攻關帶來巨大的推動和幫助。」蔡晨陽說。

而測試結果也顯示：這種纖維素材料的光學性能十分突出，太陽光反射率和中紅外發射率都很高，已經可以和現有的光子晶體和光學超材料相比擬，故能用於日間輻射降溫領域。

那麼，這種纖維素材料緣何擁有這麼好的光學性能？一番研究之後他們發現：原因在於本次材料在微納米尺度上的異型結構，和光有著獨特的相互作用。

於是，他們將本次材料命名為——纖維素光學超材料。

蔡晨陽是第一作者兼共同通訊作者，南京林業大學付宇教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）

總的來說，目前他們已能做出纖維素輻射製冷材料的雛形。下一步，蔡晨陽打算著重探索如下幾個方面：

首先，將探索如何將纖維素輻射製冷材料成本降低，並提高其環境適應性。

是否擁有較好的耐候性和光穩定性，是輻射製冷材料能夠得到戶外使用的關鍵點，只有這樣才能減少維護成本。

同時，不同物體對於塗層的作用力不一樣，有些塗敷得很好，有些卻不行。因此，如何提高輻射製冷塗層在不同材料表面的塗敷能力，也是需要解決的問題。

其次，目前的輻射製冷材料僅僅擁有單一的降溫功能，使用中會造成一定的過冷現象。

一年之中，不同季節的天氣溫度變化較大，有時需要降溫，有時則需要製熱。

因此，僅僅擁有單一降溫功能的輻射製冷材料很難滿足上述需求。

所以，後續可以嘗試開發擁有環境適應性的輻射調控材料，爭取能夠實現根據溫度的變化，來自動調節室溫溫度，進而達到智能控溫的目的。

最後，把材料做出來只是一個開始，理解背後的科學道理同樣至關重要。因此，後續蔡晨陽還計劃深入研究纖維素的熱調控過程、以及理解微觀結構與性能的關係。

參考資料：

1.Cai, C., Wu, X., Cheng, F., Ding, C., Wei, Z., Wang, X., & Fu, Y. (2024). Cellulose Metamaterials with Hetero‐Profiled Topology via Structure Rearrangement During Ball Milling for Daytime Radiative Cooling.Advanced Functional Materials, 2405903.

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