降暑的实质是温度调控，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器化学的方法，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构造，在微纳米尺度展现出独特的微不雅观构造。

（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白天辐射制冷材料，同时也能让纤维素材料的高附加值得到更好的利用。

这次材料和光有着非常分外的相互浸染，它的运用处景也和光息息相关，尤其能用于办理户外太阳光导致的“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，缓解人们对付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事情设备上，通过降落设备的事情温度，能够减少设备的热应力和热膨胀，从而延长设备的利用寿命，减少维修本钱和改换本钱。

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事理，即可在户外产生电压，以用于给微型设备供应电能。

再次，可以将其用于露水网络。
背后事理在于：刷涂涂层之后，利用辐射冷却这一个物理过程，来降落冷凝板表面的温度，从而进而提高露水网络的效率，缓解干旱地区的水资源缺少问题。

据先容，随着天下人口的持续增长和社会经济的快速发展，环球景象变暖问题日益突出。
在夏季，每年用于制冷活动的能量花费巨大，约占环球发电量的 1/7。

而传统的制冷办法，已经不能完备知足新型环保节能制冷的需求，因此探索绿色、高效、节能的新型制冷技能，已经成为学界的研究热点之一。

个中，辐射制冷材料——成为该领域的关键研究工具。
它的事理在于：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。

在这一设计原则的辅导之下，人们已经开拓了多种白天辐射制冷材料，并紧张集中在光子晶体、光学超材料、无机纳米涂层、高分子多孔材料和织物等。

美中不敷的是，这些材料的制备过程非常繁芜、本钱也比较昂贵，同时材料来源也不具备可再生性。

因此，蔡晨阳开始设想：能否开拓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，蔡晨阳本身事情于南京林业大学，在研究生物质高附加值材料上拥有一定的天然上风。

特殊是在木材、秸秆、纤维素等天然材料的利用和开拓上拥有一定履历。

于是，他打算基于纤维素，来探索开拓上述新材料的可能性。

只管此前已有关于纤维素白天辐射制冷材料的宣布，但是如何实现大规模的生产，始终尚未得到办理。

此外，纤维素构造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构造和性能之间的关系。

并希望能够利用机器化学的方法，来研发能被大规模利用的纤维素光学超材料，进而用于白天的辐射制冷。

“说大略也大略，说繁芜也繁芜”

事实上，读博期间蔡晨阳已经开始动手开拓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，只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，他和课题组决定改换材料的成型办法。

于是，他们瞄准了辐射制冷涂层。
涂层的优点在于，不仅很随意马虎实现大规模运用，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能，该方法不仅遍及度较好，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，由于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，他溘然想到之前自己做过球磨。
“于是我就想该当把球磨技能用进来，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，他和团队开始利用球磨反应来处理纤维素。

球磨反应说不繁芜也不繁芜，只需把几个东西加进去磨几小时就能出来成品。

说繁芜也繁芜，由于不知道里面发生了什么，以是根本无法监测里面的反应。

当时，他们考试测验了很多反应条件，比如球磨韶光、球磨溶液中的物质比例、表面活性剂的种类等。

终于，他们创造利用个中某一组反应条件，所造出来的材料的微不雅观构造非常故意思。

这和他们之前见过的很多纤维素材料完备不同，呈现出一种类似于树杈状的异型构造。

（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，蔡晨阳等人以为可能是表面活性剂起侧重要浸染，但是又没法直接不雅观测到这种浸染。

“这就难倒我们了，由于如果不知道这种构造是如何形成的，就没办法理解它是如何与光学发生相互浸染的。
”蔡晨阳说。

当时组里恰好来了一名硕士生，并拥有力学理论的学习背景。
于是，蔡晨阳让这名硕士生从仿照理论的角度，还原纤维素在球磨过程中的构造变革过程。

利用打算仿照的方法，这名硕士水果真剖析出了球磨珠和纤维素的机器浸染过程。

并证明：这种轻度的塑性形变、以及不同直径的球磨珠，导致涌现了不同的剪切点，进而造成了异型构造的产生。

“这件事也见告我们：相互互助、尤其是不同领域的学科交叉互助，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比较拟，故能用于白天辐射降温领域。

那么，这种纤维素材料缘何拥有这么好的光学性能？一番研究之后他们创造：缘故原由在于本次材料在微纳米尺度上的异型构造，和光有着独特的相互浸染。

于是，他们将本次材料命名为——纤维素光学超材料。

日前，干系论文以《通过球磨过程中的构造重排形成可用于白天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当共同通讯作者。

图 | 干系论文（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本钱降落，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利用的关键点，只有这样才能减少掩护本钱。

同时，不同物体对付涂层的浸染力不一样，有些涂敷得很好，有些却弗成。
因此，如何提高辐射制冷涂层在不同材料表面的涂敷能力，也是须要办理的问题。

其次，目前的辐射制冷材料仅仅拥有单一的降温功能，利用中会造成一定的过冷征象。

一年之中，不同时令的景象温度变革较大，有时须要降温，有时则须要制热。

因此，仅仅拥有单一降温功能的辐射制冷材料很难知足上述需求。

以是，后续可以考试测验开拓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革，来自动调节室温温度，进而达到智能控温的目的。

末了，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主要。
因此，后续蔡晨阳还操持深入研究纤维素的热调控过程、以及理解微不雅观构造与性能的关系。

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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