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。
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。
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。
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。
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:AdvancedFunctionalMaterials)
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).CelluloseMetamaterialswithHetero‐ProfiledTopologyviaStructureRearrangementDuringBallMillingforDaytimeRadiativeCooling.AdvancedFunctionalMaterials,2405903.
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