科学家造出纤维素光学超材料，实现低于环境温度5.7℃的制冷效果

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。

图 | 蔡晨阳（来源：蔡晨阳）

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。

“说简单也简单，说复杂也复杂”

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！”

说干就干，他和团队琢磨出了几种方法：

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）

那名“雪中送炭”的硕士生

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。

于是，他们将本次材料命名为——纤维素光学超材料。

日前，相关论文以《通过球磨过程中的结构重排形成可用于日间辐射冷却的异形拓扑纤维素超材料》（Cellulose Metamaterials with Hetero-Profiled Topology via Structure Rearrangement During Ball Milling for Daytime Radiative Cooling）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。

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。