今天是 7 月 22 日，也是二十四节气中夏季的最后一个节气——大暑。这是一年中最热的时段，对于以前的古人来说，他们主要通过住凉屋、冰块、汤药等传统方法来降暑。降暑的本质是温度调控，而作为一名当代科学家，南京林业大学副教授蔡晨阳则利用自己的专长，于近日造出一种温控材料——纤维素光学超材料。该材料的太阳光反射率达到 0.98，红外发射率达到 0.97，能实现低于环境温度 5.7℃ 的制冷效果，夏季能节约 40% 的制冷能耗。研究中，他和团队利用一步机械化学的方法，将纤维素转变成了这种光学超材料，该材料具有异型的拓扑结构，在微纳米尺度展现出独特的微观结构。（来源：Advanced Functional Materials）实验结果显示：其具有良好的光学性能和热管理功效，有望替代光子晶体和无机纳米涂层等日间辐射制冷材料，同时也能让纤维素材料的高附加值得到更好的利用。此次材料和光有着非常特殊的相互作用，它的应用场景也和光息息相关，尤其能用于解决户外太阳光导致的“热”问题首先，可以将其做成户外涂层材料，涂敷在建筑物的表面，缓解人们对于夏季空调的依赖程度，这样一来既能减少空调能耗，也能实现室内降温。同时，可以将其涂敷在户外工作设备上，通过降低设备的工作温度，能够减少设备的热应力和热膨胀，从而延长设备的使用寿命，减少维修成本和更换成本。其次，可以将其与热电装置结合，涂敷在热电装置表面进行耦合，然后利用温差发电这一原理，即可在户外产生电压，以用于给微型设备提供电能。再次，可以将其用于露水收集。背后原理在于：刷涂涂层之后，利用辐射冷却这一个物理过程，来降低冷凝板表面的温度，从而进而提高露水收集的效率，缓解干旱地区的水资源缺乏问题。据介绍，随着世界人口的持续增长和社会经济的快速发展，全球气候变暖问题日益突出。在夏季，每年用于制冷活动的能量消耗巨大，约占全球发电量的 1/7。而传统的制冷方式，已经不能完全满足新型环保节能制冷的需求，因此探索绿色、高效、节能的新型制冷技术，已经成为学界的研究热点之一。其中，辐射制冷材料——成为该领域的关键研究对象。它的原理在于：一方面能把太阳光反射走，另一方面能把室内热量自动散发出去（即具有较高的红外辐射率），从而达到室内降温的目的。在这一设计原则的指导之下，人们已经开发了多种日间辐射制冷材料，并主要集中在光子晶体、光学超材料、无机纳米涂层、高分子多孔材料和织物等。美中不足的是，这些材料的制备过程非常复杂、成本也比较昂贵，同时材料来源也不具备可再生性。因此，蔡晨阳开始设想：能否开发一种可再生的绿色型辐射制冷材料，且其性能可以和已有的辐射制冷材料相媲美？如前所述，蔡晨阳本身工作于南京林业大学，在研究生物质高附加值材料上拥有一定的天然优势。特别是在木材、秸秆、纤维素等天然材料的利用和开发上拥有一定经验。于是，他打算基于纤维素，来探索开发上述新材料的可能性。尽管此前已有关于纤维素日间辐射制冷材料的报道，但是如何实现大规模的生产，始终尚未得到解决。此外，纤维素结构和辐射制冷之间到底是什么关系？背后深层次的科学道理是什么？带着上述问题，蔡晨阳希望能够理解纤维素结构和性能之间的关系。并希望能够利用机械化学的方法，来研发能被大规模使用的纤维素光学超材料，进而用于日间的辐射制冷。事实上，读博期间蔡晨阳已经开始着手开发生物质纤维素功能材料。当时，他曾造出一种木质纤维素气凝胶辐射制冷材料，尽管辐射制冷效果还可以，但是由于气凝胶材料的强度太差，无法大规模地用于建筑物外墙。后来，博士毕业之后，他得到了留校任教的机会。独立建组之后，他和课题组决定更换材料的成型方式。于是，他们瞄准了辐射制冷涂层。涂层的优点在于，不仅很容易实现大规模应用，而且只需在建筑物表面刷一层，就有希望起到降温效果。但是，此前在制备辐射制冷涂层时，人们所选取的原材料大多集中在陶瓷材料、有机聚合物、无机纳米材料等。这样蔡晨阳不禁感慨：“如果能将纤维素这种可再生材料作为涂层的主体材料，那有该多好！”最初，他们想到了相分离造孔技术，该方法不仅普及度较好，而且操作上比较可行。“但是，我一想到又要选择纤维素的溶剂就感到头疼，因为大多数纤维素良溶剂都是有机体系，存在一定的毒性，于是我就说算了吧，还是能做水系就做水系吧。”蔡晨阳说。后来，他突然想到之前自己做过球磨。“于是我就想应该把球磨技术用进来，一方面可以减小材料的尺寸，另一方面还能做点化学反应。”他说。随后，他和团队开始使用球磨反应来处理纤维素。球磨反应说不复杂也不复杂，只需把几个东西加进去磨几小时就能出来成品。说复杂也复杂，因为不知道里面发生了什么，所以根本无法监测里面的反应。当时，他们尝试了很多反应条件，比如球磨时间、球磨溶液中的物质比例、表面活性剂的种类等。终于，他们发现使用其中某一组反应条件，所造出来的材料的微观结构非常有意思。这和他们之前见过的很多纤维素材料完全不同，呈现出一种类似于树杈状的异型结构。（来源：Advanced Functional Materials）那么，为什么通过球磨反应能将棒状的纤维素、转换成类似于树杈状的多尺度异型材料？一开始，蔡晨阳等人觉得可能是表面活性剂起着主要作用，但是又没法直接观测到这种作用。“这就难倒我们了，因为如果不知道这种结构是如何形成的，就没办法理解它是如何与光学发生相互作用的。”蔡晨阳说。当时组里正好来了一名硕士生，并拥有力学理论的学习背景。于是，蔡晨阳让这名硕士生从模拟理论的角度，还原纤维素在球磨过程中的结构变化过程。利用计算模拟的方法，这名硕士生果然分析出了球磨珠和纤维素的机械作用过程。并证实：这种轻度的塑性形变、以及不同直径的球磨珠，导致出现了不同的剪切点，进而造成了异型结构的产生。“这件事也告诉我们：相互合作、尤其是不同领域的学科交叉合作，可以给科研攻关带来巨大的推动和帮助。”蔡晨阳说。而测试结果也显示：这种纤维素材料的光学性能十分突出，太阳光反射率和中红外发射率都很高，已经可以和现有的光子晶体和光学超材料相比拟，故能用于日间辐射降温领域。那么，这种纤维素材料缘何拥有这么好的光学性能？一番研究之后他们发现：原因在于本次材料在微纳米尺度上的异型结构，和光有着独特的相互作用。蔡晨阳是第一作者兼共同通讯作者，南京林业大学付宇教授担任共同通讯作者。图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）总的来说，目前他们已能做出纤维素辐射制冷材料的雏形。下一步，蔡晨阳打算着重探索如下几个方面：首先，将探索如何将纤维素辐射制冷材料成本降低，并提高其环境适应性。是否拥有较好的耐候性和光稳定性，是辐射制冷材料能够得到户外使用的关键点，只有这样才能减少维护成本。同时，不同物体对于涂层的作用力不一样，有些涂敷得很好，有些却不行。因此，如何提高辐射制冷涂层在不同材料表面的涂敷能力，也是需要解决的问题。其次，目前的辐射制冷材料仅仅拥有单一的降温功能，使用中会造成一定的过冷现象。一年之中，不同季节的天气温度变化较大，有时需要降温，有时则需要制热。因此，仅仅拥有单一降温功能的辐射制冷材料很难满足上述需求。所以，后续可以尝试开发拥有环境适应性的辐射调控材料，争取能够实现根据温度的变化，来自动调节室温温度，进而达到智能控温的目的。最后，把材料做出来只是一个开始，理解背后的科学道理同样至关重要。因此，后续蔡晨阳还计划深入研究纤维素的热调控过程、以及理解微观结构与性能的关系。参考资料：
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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