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。
![圖 | 蔡晨陽(來源:蔡晨陽)](http://n.sinaimg.cn/spider20240722/126/w1080h646/20240722/e973-9fb4eae0317b27d457a871ea5305a42d.png)
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。
![(來源:Advanced Functional Materials)](http://n.sinaimg.cn/spider20240722/681/w1080h401/20240722/ae06-a03fe75aa555ae61d06ae9203294753d.png)
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。
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「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。
![(來源:Advanced Functional Materials)](http://n.sinaimg.cn/spider20240722/669/w1080h389/20240722/1b9c-b1dc35b1482b26c0d079ed9f8e99afc3.png)
![](http://n.sinaimg.cn/spider20240722/64/w750h114/20240722/694f-c0a45ff32603849e90c4d6064b23f235.png)
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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