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普渡大學李恬教授、劍橋大學Vignolini 教授 《Adv. Sci》：結構著色的輻射制冷纖維素薄膜
2022-07-26  來源：高分子科技
  創新點：本文作者及合作者通過納米纖維素晶體和多孔乙基纖維素實現了具有鮮艷色彩的日間輻射制冷薄膜。該天然衍生的彩色薄膜在日間和夜間都能低于環境溫度，并且可以通過卷對卷工藝進行大規模的生產來進一步擴大彩色輻射制冷的影響力。


  日間輻射制冷 (DRC) 材料通過利用熱傳遞到太空的方式，提供了一種有效且環保的制冷方法。近年來，此類材料快速發展，通過介電材料的選擇性紅外 (IR) 發射或聚合物材料的寬帶紅外發射。其中最先進的設計可以將溫度降低到周圍環境的冰點以下，并無需任何能量輸入即可提供超過 100 W m?2 的制冷功率。為了最大限度地提高陽光反射率通常，DRC材料通常呈白色或類似鏡面，但這種單調的外觀無法更好的推廣輻射制冷技術在日常生活中的使用。使用傳統著色劑不可避免地會吸收太陽光，導致物體被加熱，從而抵消輻射制冷效應？朔@一問題的主要策略集中在降低不必要的太陽吸收和增加大氣透明窗口 (λ = 8–13 μm) 的發射率。 但迄今為止的材料均有一種或多種限制，如無法實現低于環境溫度的制冷，制備工藝無法大規模生產，或者，顏色強度不夠顯著等。

圖1 結構色輻射制冷纖維素膜的原理和展示


  針對這些問題，美國普度大學李恬教授和英國劍橋大學Vignolini 教授合作研發了由天然衍生的納米纖維素晶體 (CNC) 制備而成的結構色薄膜，并展示了高效的日間輻射制冷（日間：-4°C，夜間：-11°C）。這些膠體納米粒子是從棉花和木漿等可再生資源中提取的。提取后，CNC分散在水中，然后自發地自組織成具有膽甾（即手性向列）順序的膠體液晶。蒸發后，這種左手膽甾型排序可以保持為固態。這種薄膜中的雙折射 CNC 納米棒呈螺旋狀排列，導致納米結構的折射率發生周期性變化。該薄膜的周期性光子納米結構可選擇性地反射可見光，具體顏色與螺旋結構的周期性（稱為螺距）有關。以上特質使該薄膜產生鮮艷的、可調的，以及抗褪色的結構色彩并避免基于吸收的加熱問題（低太陽能吸收≈3%）。此外，該薄膜的中紅外大氣窗口內的高發射率(>90%) 能顯著提高輻射散熱。當此類 CNC 薄膜涂覆到高散射的多孔乙基纖維素 (EC) 基層上，任何穿透 CNC 層的陽光都會被下面的 EC 層反射，從而同時實現寬帶太陽反射和鮮艷的結構色。最后，我們使用卷對卷 (R2R) 沉積工藝來生產具備結構色的纖維素 DRC 薄膜。這種低成本和可持續的大規模生產驗證了這種有色輻射制冷材料的商業制造潛力。相關結果發表在Advanced Science上。


圖2 大規模卷對卷生產過程


  論文信息：

  Structurally Colored Radiative Cooling Cellulosic Films

  Wenkai Zhu, Benjamin Droguet, Qingchen Shen, Yun Zhang, Thomas Parton, Xiwei Shan, Richard M. Parker, Michael F. L. De Volder, Tao Deng, Silvia Vignolini* and Tian Li*

  Advanced Science

  DOI: 10.1002/advs.202202061

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202202061

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（責任編輯：xu）
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