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南林蔡晨陽(yáng)/付宇 Nano Lett.: 仿生微結(jié)構(gòu)長(zhǎng)效耐候輻射降溫木材
2025-03-17  來(lái)源：高分子科技

  傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)通常會(huì)消耗大量的能量并排放大量的二氧化碳溫室氣體，對(duì)地球環(huán)境和人類(lèi)生存造成較大的負(fù)擔(dān)。輻射制冷是一種被動(dòng)制冷方式，其主要是利用地球與外太空之間的大氣透明窗口（波長(zhǎng)8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發(fā)射到外太空。木材具有多層級(jí)孔結(jié)構(gòu)、高紅外發(fā)射率、綠色可再生以及易加工等特性，在輻射制冷領(lǐng)域備受關(guān)注。但是，輻射制冷木材在戶外長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性仍然是不可忽視的問(wèn)題。


  日前，南京林業(yè)大學(xué)付宇教授、蔡晨陽(yáng)副教授等人受撒哈拉銀蟻微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用木材細(xì)胞壁處理結(jié)合光子晶體組裝的策略，將木材轉(zhuǎn)換成具有多層次微結(jié)構(gòu)的戶外長(zhǎng)效使用的日間輻射制冷材料，其具有高太陽(yáng)光反射率、紅外發(fā)射率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗紫外特性。戶外測(cè)試表面降溫木材能實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度5.5 ℃的制冷效果，并且紫外加速實(shí)驗(yàn)證實(shí)其可以在戶外長(zhǎng)期使用（UV照射720 h后仍然具有4.5℃的制冷效果），DFT模擬進(jìn)一步闡明了分子尺度的化學(xué)鍵保護(hù)機(jī)制。相關(guān)工作以“Bioinspired Durable Daytime Radiative Cooling Wood: Realizing Outdoor Longtime Use”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。



  撒哈拉銀蟻的毛發(fā)結(jié)構(gòu)（定向排列的毛發(fā)和橫截面的三角形孔結(jié)構(gòu)）能有效的反射太陽(yáng)光和輻射中紅外，受其啟發(fā)，基于日間輻射制冷的光譜學(xué)要求（定向排列的光子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的高散射和分子振動(dòng)模式賦予的強(qiáng)紅外發(fā)射），利用去木質(zhì)素后木材徑向定向排列的纖維和橫切面多尺度的孔結(jié)構(gòu)原位生長(zhǎng)光子晶體TiO2@Mica，最后經(jīng)過(guò)熱壓工藝形成結(jié)構(gòu)與功能一體的長(zhǎng)效抗紫外型日間輻射制冷木材（圖1A-B）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降溫木材具有95.8%的太陽(yáng)光反射率和0.95的中紅外發(fā)射率，戶外可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效持久的輻射制冷功效。與此同時(shí)，降溫木材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面自清潔。Energy Plus模擬證實(shí)其每年可以實(shí)現(xiàn)約40%左右的制冷能耗節(jié)約。


圖1 仿生設(shè)計(jì)、日間輻射制冷光譜學(xué)、制冷木材的光學(xué)散射和紅外輻射機(jī)制等。


  該方法簡(jiǎn)便可行，為發(fā)展綠色生物基輻射熱調(diào)控材料提供了新的方法。南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院青年教師蔡晨陽(yáng)為第一作者和通訊作者，材料科學(xué)與工程學(xué)院付宇教授為共同通訊作者，南京林業(yè)大學(xué)為第一完成單位。該成果得到了江蘇省自然科學(xué)基金和南京林業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)基金的資助，感謝編輯和審稿人寶貴的建議。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06496

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