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四川大學(xué)盧燦輝教授/熊銳特聘研究員 ACS Nano: 用于協(xié)同彩色輻射冷卻的分層納米纖維素光子結(jié)構(gòu)設(shè)計
2025-01-27  來源:高分子科技

  當(dāng)前,可持續(xù)日間輻射冷卻(Daytime Radiative Cooling, DRC)材料因其能夠兼具鮮艷的視覺效果和高效的冷卻性能,在服裝、醫(yī)療保健以及建筑等多個領(lǐng)域備受關(guān)注。這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芴岢隽穗p重需求:一方面要求材料具備卓越的冷卻效率,以滿足實際使用中的降溫需求;另一方面則強調(diào)材料的外觀設(shè)計,以適應(yīng)不同場景下的美學(xué)要求。然而,傳統(tǒng)的日間輻射冷卻材料大多呈現(xiàn)白色,這是為了通過最大化反射太陽光來提高冷卻效率。但當(dāng)使用染料等傳統(tǒng)著色劑對這些材料進行顏色定制時,由于著色劑在太陽光波段的固有吸收特性,往往會顯著降低材料的冷卻性能。因此,如何在DRC材料中同時實現(xiàn)高冷卻效率與鮮艷色彩,一直是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題,也是當(dāng)前研究的重點方向。


圖1:分層DRC系統(tǒng)的設(shè)計及制備。


  近日,四川大學(xué)盧燦輝教授與熊銳特聘研究員報道了一種新型的分層光子結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由光致發(fā)光散射體網(wǎng)絡(luò)與納米纖維素膽甾結(jié)構(gòu)共同構(gòu)建。這一創(chuàng)新設(shè)計有效突破了冷卻效率與色彩表現(xiàn)之間的傳統(tǒng)權(quán)衡困境,通過全天候色彩的協(xié)同作用,顯著增強了冷卻效果。該結(jié)構(gòu)的核心材料為天然提取的纖維素納米晶(Cellulose Nanocrystals, CNC),其具備以下多重優(yōu)勢:較強的中紅外輻射能力、較低的太陽光吸收率、可再生性、良好的熱穩(wěn)定性以及高度有序的膽甾相結(jié)構(gòu)。這種膽甾相結(jié)構(gòu)能夠選擇性地反射可見光波長,從而產(chǎn)生鮮艷的結(jié)構(gòu)色。此外,光致發(fā)光散射體網(wǎng)絡(luò)具備長余輝發(fā)光(Long Persistent Luminescence, LPL)特性,能夠有效提高材料的反射率,并將吸收的光能轉(zhuǎn)化為光致發(fā)光,進一步提升冷卻性能。這種協(xié)同的光子相互作用帶來了顯著的性能提升:高反射率(92%)、高中紅外發(fā)射率(大于90%)、穩(wěn)定且可調(diào)的結(jié)構(gòu)色外觀,以及長達(dá)數(shù)小時的余輝光致發(fā)光。在夏季強烈陽光照射下,該分層日間輻射冷卻(Daytime Radiative Cooling, DRC)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)11.3℃的顯著亞環(huán)境溫度冷卻,輻射冷卻功率超過90 W/m2。同時,得益于LPL微粒/納米纖維素(CNF)的良好加工性以及CNC的可調(diào)光子帶隙特性,該分層DRC系統(tǒng)可通過簡單的逐層打印技術(shù)生成各種不同的多色定制結(jié)構(gòu)色圖案和發(fā)光圖案,以滿足白天和夜間不同場景下的可視性需求。


  該分層光子結(jié)構(gòu)設(shè)計通過協(xié)同利用紫外至中近紅外光譜范圍內(nèi)的四種光學(xué)機制,實現(xiàn)了冷卻效率與著色效果的顯著提升。這四種機制包括:紫外區(qū)的吸收-發(fā)射轉(zhuǎn)換、可見光區(qū)的選擇性反射、可見光-近紅外區(qū)的光散射,以及中近紅外區(qū)的高效發(fā)射。這種綜合設(shè)計策略不僅優(yōu)化了材料的光學(xué)性能,還為其他日間輻射冷卻(DRC)材料的研發(fā)提供了一種極具潛力的設(shè)計范例。


圖2:分層 DRC 系統(tǒng)的彩色圖案設(shè)計


圖3:分層DRC系統(tǒng)的輻射制冷性能


  上述工作近期以“Hierarchical Nanocellulose Photonic Design for Synergistic Colored Radiative Cooling”為題發(fā)表在ACS NANO上。四川大學(xué)高分子研究所博士生周逸為第一作者,四川大學(xué)高分子材料工程國家重點實驗室盧燦輝教授熊銳特聘研究員為共同通訊作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00330?articleRef=control

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