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南林蔡晨陽/付宇 Nano Lett.: 仿生微結構長效耐候輻射降溫木材
2025-03-17  來源:高分子科技

  傳統的制冷系統通常會消耗大量的能量并排放大量的二氧化碳溫室氣體,對地球環境和人類生存造成較大的負擔。輻射制冷是一種被動制冷方式,其主要是利用地球與外太空之間的大氣透明窗口(波長8–13 μm),將地球表面的熱量以熱輻射的形式發射到外太空。木材具有多層級孔結構、高紅外發射率、綠色可再生以及易加工等特性,在輻射制冷領域備受關注。但是,輻射制冷木材在戶外長期使用的穩定性仍然是不可忽視的問題。


  日前,南京林業大學付宇教授、蔡晨陽副教授等人受撒哈拉銀蟻微結構的啟發,采用木材細胞壁處理結合光子晶體組裝的策略,將木材轉換成具有多層次微結構的戶外長效使用的日間輻射制冷材料,其具有高太陽光反射率、紅外發射率、結構穩定性和抗紫外特性。戶外測試表面降溫木材能實現低于環境溫度5.5 ℃的制冷效果,并且紫外加速實驗證實其可以在戶外長期使用(UV照射720 h后仍然具有4.5℃的制冷效果),DFT模擬進一步闡明了分子尺度的化學鍵保護機制。相關工作以“Bioinspired Durable Daytime Radiative Cooling Wood: Realizing Outdoor Longtime Use”為題發表在《Nano Letters》上



  撒哈拉銀蟻的毛發結構(定向排列的毛發和橫截面的三角形孔結構)能有效的反射太陽光和輻射中紅外,受其啟發,基于日間輻射制冷的光譜學要求(定向排列的光子結構導致的高散射和分子振動模式賦予的強紅外發射),利用去木質素后木材徑向定向排列的纖維和橫切面多尺度的孔結構原位生長光子晶體TiO2@Mica,最后經過熱壓工藝形成結構與功能一體的長效抗紫外型日間輻射制冷木材(圖1A-B)。實驗結果表明,降溫木材具有95.8%的太陽光反射率和0.95的中紅外發射率,戶外可以實現長效持久的輻射制冷功效。與此同時,降溫木材結構穩定,表面自清潔。Energy Plus模擬證實其每年可以實現約40%左右的制冷能耗節約。


1 仿生設計、日間輻射制冷光譜學、制冷木材的光學散射和紅外輻射機制等。


  該方法簡便可行,為發展綠色生物基輻射熱調控材料提供了新的方法。南京林業大學材料科學與工程學院青年教師蔡晨陽為第一作者和通訊作者,材料科學與工程學院付宇教授為共同通訊作者,南京林業大學為第一完成單位。該成果得到了江蘇省自然科學基金和南京林業大學科研啟動基金的資助,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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(責任編輯:xu)
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