普渡大学李恬教授、剑桥大学Vignolini 教授 《Adv. Sci》：结构着色的辐射制冷纤维素薄膜

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创新点：本文作者及合作者通过纳米纤维素晶体和多孔乙基纤维素实现了具有鲜艳色彩的日间辐射制冷薄膜。该天然衍生的彩色薄膜在日间和夜间都能低于环境温度，并且可以通过卷对卷工艺进行大规模的生产来进一步扩大彩色辐射制冷的影响力。

日间辐射制冷 (DRC) 材料通过利用热传递到太空的方式，提供了一种有效且环保的制冷方法。近年来，此类材料快速发展，通过介电材料的选择性红外 (IR) 发射或聚合物材料的宽带红外发射。其中最先进的设计可以将温度降低到周围环境的冰点以下，并无需任何能量输入即可提供超过 100 W m⁻² 的制冷功率。为了最大限度地提高阳光反射率通常，DRC材料通常呈白色或类似镜面，但这种单调的外观无法更好的推广辐射制冷技术在日常生活中的使用。使用传统着色剂不可避免地会吸收太阳光，导致物体被加热，从而抵消辐射制冷效应。克服这一问题的主要策略集中在降低不必要的太阳吸收和增加大气透明窗口 (λ = 8–13 µm) 的发射率。 但迄今为止的材料均有一种或多种限制，如无法实现低于环境温度的制冷，制备工艺无法大规模生产，或者，颜色强度不够显著等。

图1 结构色辐射制冷纤维素膜的原理和展示

针对这些问题，美国普度大学李恬教授和英国剑桥大学Vignolini 教授合作研发了由天然衍生的纳米纤维素晶体 (CNC) 制备而成的结构色薄膜，并展示了高效的日间辐射制冷（日间：-4°C，夜间：-11°C）。这些胶体纳米粒子是从棉花和木浆等可再生资源中提取的。提取后，CNC分散在水中，然后自发地自组织成具有胆甾（即手性向列）顺序的胶体液晶。蒸发后，这种左手胆甾型排序可以保持为固态。这种薄膜中的双折射 CNC 纳米棒呈螺旋状排列，导致纳米结构的折射率发生周期性变化。该薄膜的周期性光子纳米结构可选择性地反射可见光，具体颜色与螺旋结构的周期性（称为螺距）有关。以上特质使该薄膜产生鲜艳的、可调的，以及抗褪色的结构色彩并避免基于吸收的加热问题（低太阳能吸收≈3%）。此外，该薄膜的中红外大气窗口内的高发射率(>90%) 能显著提高辐射散热。当此类 CNC 薄膜涂覆到高散射的多孔乙基纤维素 (EC) 基层上，任何穿透 CNC 层的阳光都会被下面的 EC 层反射，从而同时实现宽带太阳反射和鲜艳的结构色。最后，我们使用卷对卷 (R2R) 沉积工艺来生产具备结构色的纤维素 DRC 薄膜。这种低成本和可持续的大规模生产验证了这种有色辐射制冷材料的商业制造潜力。相关结果发表在Advanced Science上。

图2 大规模卷对卷生产过程

论文信息：

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

原文链接：

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

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