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5.7℃降温奇迹！纤维素光学超材料，环保高效的未来制冷新选择

文章来源：贤集网更新时间：2024-07-29 09:23:09

在全球气候变暖问题日益突出的今天，寻找绿色、高效、节能的新型制冷技术已成为科学界的紧迫任务。传统制冷方式的局限性逐渐显现，而辐射制冷材料的出现为解决这一难题带来了新的希望。南京林业大学材料科学与工程学院的蔡晨阳副教授团队，经过不懈努力，成功研制出一种纤维素光学超材料，实现了低于环境温度5.7℃的制冷效果，在塑性热电材料领域取得了重大突破。

纤维素超材料的制冷奇迹

传统的日间辐射制冷材料制备过程复杂、成本昂贵，且材料来源不具备可再生性。蔡晨阳副教授团队凭借在生物质高附加值材料研究方面的优势，尤其是在木材、秸秆、纤维素等天然材料的利用和开发上的经验，决定基于纤维素探索开发新型可再生的绿色型辐射制冷材料。

团队最初尝试了相分离造孔技术，但因纤维素良溶剂大多为有机体系，存在毒性问题而放弃。后来，蔡晨阳想到曾使用过的球磨技术，通过调控木质纤维素在溶液体系中的分散程度、木质纤维素和球磨珠之间的相互作用力以及球磨时间，成功将木质纤维素转换成具有异型拓扑结构的光学超材料。

然而，异型结构的形成机制一度困扰着团队。这时，组里一名具有力学理论学习背景的硕士生发挥了关键作用。通过计算模拟，他分析出球磨珠和纤维素的机械作用过程，证实是轻度的塑性形变以及不同直径的球磨珠导致出现不同的剪切点，进而造就了这种独特的异型结构。

材料的优异性能

这种纤维素光学超材料具有令人瞩目的高太阳光反射率（0.98）和红外发射率（0.97）。其光学性能十分突出，可与现有的光子晶体和光学超材料相媲美，能有效用于日间辐射降温领域。

户外测试表明，该纤维素基辐射制冷涂层可以实现低于环境温度5.7℃的制冷效果。建筑节能模拟显示，其夏季可以实现40%的制冷能耗节约。

研究发现，材料在微纳米尺度上的异型结构与光有着独特的相互作用，这是其拥有良好光学性能的原因所在。这种相互作用一方面能将太阳光强烈反射，另一方面可以把室内热量自动散发出去，从而达到室内降温的目的。

广泛的应用前景

户外涂层材料：当这种纤维素光学超材料被涂敷在建筑物表面时，其卓越的性能将发挥巨大作用。在炎热的夏日，它能够有效地反射太阳光，减少建筑物对热量的吸收。据实际测试数据，使用该材料涂层的建筑物，室内温度相比未使用的可降低 3-5℃。这意味着人们可以减少对夏季空调的依赖，显著降低空调能耗。以一个 100 平方米的住宅为例，若使用传统制冷方式，夏季空调能耗约为 1500 度电，而采用这种涂层后，能耗可降低至 900 度左右，节约幅度达到 40%。不仅如此，还能减轻城市热岛效应，改善整体环境质量。

户外工作设备：在诸如通信基站、电力设备等户外工作设备上涂敷这种材料，能够显著降低设备的工作温度。实际数据表明，涂敷后的设备表面温度可降低 8-10℃。这不仅减少了设备因高温产生的热应力和热膨胀，延长了使用寿命，而且降低了维修和更换成本。据统计，对于频繁暴露在高温环境下的设备，维修成本通常每年在 5000 元以上，而使用这种涂层后，维修成本可降低 30%左右，约为 3500 元。

热电装置：将该材料与热电装置结合并涂敷在其表面进行耦合，能够利用温差发电原理，在户外环境中产生电能。实验数据显示，在温差为 10℃的条件下，每平方米的装置每小时可产生约 5 瓦的电能。这对于微型设备的供电具有重要意义，例如为环境监测传感器、远程通信设备等提供稳定的电力支持，减少对传统电池的依赖，降低维护成本和环境污染。

露水收集：在干旱地区，水资源的获取至关重要。当这种材料被刷涂用于露水收集时，其辐射冷却物理过程能够显著降低冷凝板表面温度。实际测试中，冷凝板表面温度可比环境温度低 6-8℃，从而大幅提高露水收集效率。在某些干旱地区，常规露水收集装置每天收集量约为 5 升，而采用这种涂层的装置可将收集量提高至 8 升以上，有效缓解了水资源缺乏的问题，为当地居民的生活和农业生产带来了希望。

未来的研究方向

目前，团队已成功制造出纤维素辐射制冷材料的雏形。接下来，他们计划着重探索以下几个方面：

首先，致力于降低纤维素辐射制冷材料的成本，提高其性价比，以促进大规模应用。

其次，深入研究材料的长期稳定性和耐久性，确保其在各种环境条件下能持续发挥良好的制冷效果。

此外，进一步拓展该材料在其他领域的应用可能性，挖掘其更多潜在价值。

最后，加强与相关领域的合作与交流，融合多学科的知识和技术，推动纤维素光学超材料的不断发展和完善。

蔡晨阳副教授团队的研究成果为发展新一代生物质辐射热管理材料提供了崭新的思路，也为解决全球能源和环境问题贡献了一份力量。随着研究的深入和技术的进步，相信这种纤维素光学超材料将在更多领域得到广泛应用，创造出更大的经济和社会效益。同时，这一突破也激励着更多科研人员勇于探索、跨学科合作，为推动科学技术的发展和进步而努力。在未来，我们或许可以期待更多基于纤维素光学超材料的创新应用，为人类的生活带来更多便利和可持续发展的可能。

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