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5.7℃降溫奇跡！纖維素光學超材料，環保高效的未來制冷新選擇

文章來源：賢集網更新時間：2024-07-29 09:23:09

在全球氣候變暖問題日益突出的今天，尋找綠色、高效、節能的新型制冷技術已成為科學界的緊迫任務。傳統制冷方式的局限性逐漸顯現，而輻射制冷材料的出現為解決這一難題帶來了新的希望。南京林業大學材料科學與工程學院的蔡晨陽副教授團隊，經過不懈努力，成功研制出一種纖維素光學超材料，實現了低于環境溫度5.7℃的制冷效果，在塑性熱電材料領域取得了重大突破。

纖維素超材料的制冷奇跡

傳統的日間輻射制冷材料制備過程復雜、成本昂貴，且材料來源不具備可再生性。蔡晨陽副教授團隊憑借在生物質高附加值材料研究方面的優勢，尤其是在木材、秸稈、纖維素等天然材料的利用和開發上的經驗，決定基于纖維素探索開發新型可再生的綠色型輻射制冷材料。

團隊最初嘗試了相分離造孔技術，但因纖維素良溶劑大多為有機體系，存在毒性問題而放棄。后來，蔡晨陽想到曾使用過的球磨技術，通過調控木質纖維素在溶液體系中的分散程度、木質纖維素和球磨珠之間的相互作用力以及球磨時間，成功將木質纖維素轉換成具有異型拓撲結構的光學超材料。

然而，異型結構的形成機制一度困擾著團隊。這時，組里一名具有力學理論學習背景的碩士生發揮了關鍵作用。通過計算模擬，他分析出球磨珠和纖維素的機械作用過程，證實是輕度的塑性形變以及不同直徑的球磨珠導致出現不同的剪切點，進而造就了這種獨特的異型結構。

材料的優異性能

這種纖維素光學超材料具有令人矚目的高太陽光反射率（0.98）和紅外發射率（0.97）。其光學性能十分突出，可與現有的光子晶體和光學超材料相媲美，能有效用于日間輻射降溫領域。

戶外測試表明，該纖維素基輻射制冷涂層可以實現低于環境溫度5.7℃的制冷效果。建筑節能模擬顯示，其夏季可以實現40%的制冷能耗節約。

研究發現，材料在微納米尺度上的異型結構與光有著獨特的相互作用，這是其擁有良好光學性能的原因所在。這種相互作用一方面能將太陽光強烈反射，另一方面可以把室內熱量自動散發出去，從而達到室內降溫的目的。

廣泛的應用前景

戶外涂層材料：當這種纖維素光學超材料被涂敷在建筑物表面時，其卓越的性能將發揮巨大作用。在炎熱的夏日，它能夠有效地反射太陽光，減少建筑物對熱量的吸收。據實際測試數據，使用該材料涂層的建筑物，室內溫度相比未使用的可降低 3-5℃。這意味著人們可以減少對夏季空調的依賴，顯著降低空調能耗。以一個 100 平方米的住宅為例，若使用傳統制冷方式，夏季空調能耗約為 1500 度電，而采用這種涂層后，能耗可降低至 900 度左右，節約幅度達到 40%。不僅如此，還能減輕城市熱島效應，改善整體環境質量。

戶外工作設備：在諸如通信基站、電力設備等戶外工作設備上涂敷這種材料，能夠顯著降低設備的工作溫度。實際數據表明，涂敷后的設備表面溫度可降低 8-10℃。這不僅減少了設備因高溫產生的熱應力和熱膨脹，延長了使用壽命，而且降低了維修和更換成本。據統計，對于頻繁暴露在高溫環境下的設備，維修成本通常每年在 5000 元以上，而使用這種涂層后，維修成本可降低 30%左右，約為 3500 元。

熱電裝置：將該材料與熱電裝置結合并涂敷在其表面進行耦合，能夠利用溫差發電原理，在戶外環境中產生電能。實驗數據顯示，在溫差為 10℃的條件下，每平方米的裝置每小時可產生約 5 瓦的電能。這對于微型設備的供電具有重要意義，例如為環境監測傳感器、遠程通信設備等提供穩定的電力支持，減少對傳統電池的依賴，降低維護成本和環境污染。

露水收集：在干旱地區，水資源的獲取至關重要。當這種材料被刷涂用于露水收集時，其輻射冷卻物理過程能夠顯著降低冷凝板表面溫度。實際測試中，冷凝板表面溫度可比環境溫度低 6-8℃，從而大幅提高露水收集效率。在某些干旱地區，常規露水收集裝置每天收集量約為 5 升，而采用這種涂層的裝置可將收集量提高至 8 升以上，有效緩解了水資源缺乏的問題，為當地居民的生活和農業生產帶來了希望。

未來的研究方向

目前，團隊已成功制造出纖維素輻射制冷材料的雛形。接下來，他們計劃著重探索以下幾個方面：

首先，致力于降低纖維素輻射制冷材料的成本，提高其性價比，以促進大規模應用。

其次，深入研究材料的長期穩定性和耐久性，確保其在各種環境條件下能持續發揮良好的制冷效果。

此外，進一步拓展該材料在其他領域的應用可能性，挖掘其更多潛在價值。

最后，加強與相關領域的合作與交流，融合多學科的知識和技術，推動纖維素光學超材料的不斷發展和完善。

蔡晨陽副教授團隊的研究成果為發展新一代生物質輻射熱管理材料提供了嶄新的思路，也為解決全球能源和環境問題貢獻了一份力量。隨著研究的深入和技術的進步，相信這種纖維素光學超材料將在更多領域得到廣泛應用，創造出更大的經濟和社會效益。同時，這一突破也激勵著更多科研人員勇于探索、跨學科合作，為推動科學技術的發展和進步而努力。在未來，我們或許可以期待更多基于纖維素光學超材料的創新應用，為人類的生活帶來更多便利和可持續發展的可能。

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來源：賢集網
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