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5.7℃降溫奇跡！纖維素光學(xué)超材料，環(huán)保高效的未來制冷新選擇
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2024-07-29 09:23:09
在全球氣候變暖問題日益突出的今天，尋找綠色、高效、節(jié)能的新型制冷技術(shù)已成為科學(xué)界的緊迫任務(wù)。傳統(tǒng)制冷方式的局限性逐漸顯現(xiàn)，而輻射制冷材料的出現(xiàn)為解決這一難題帶來了新的希望。南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的蔡晨陽副教授團隊，經(jīng)過不懈努力，成功研制出一種纖維素光學(xué)超材料，實現(xiàn)了低于環(huán)境溫度5.7℃的制冷效果，在塑性熱電材料領(lǐng)域取得了重大突破。



纖維素超材料的制冷奇跡



傳統(tǒng)的日間輻射制冷材料制備過程復(fù)雜、成本昂貴，且材料來源不具備可再生性。蔡晨陽副教授團隊?wèi){借在生物質(zhì)高附加值材料研究方面的優(yōu)勢，尤其是在木材、秸稈、纖維素等天然材料的利用和開發(fā)上的經(jīng)驗，決定基于纖維素探索開發(fā)新型可再生的綠色型輻射制冷材料。



團隊最初嘗試了相分離造孔技術(shù)，但因纖維素良溶劑大多為有機體系，存在毒性問題而放棄。后來，蔡晨陽想到曾使用過的球磨技術(shù)，通過調(diào)控木質(zhì)纖維素在溶液體系中的分散程度、木質(zhì)纖維素和球磨珠之間的相互作用力以及球磨時間，成功將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)換成具有異型拓撲結(jié)構(gòu)的光學(xué)超材料。



然而，異型結(jié)構(gòu)的形成機制一度困擾著團隊。這時，組里一名具有力學(xué)理論學(xué)習(xí)背景的碩士生發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過計算模擬，他分析出球磨珠和纖維素的機械作用過程，證實是輕度的塑性形變以及不同直徑的球磨珠導(dǎo)致出現(xiàn)不同的剪切點，進而造就了這種獨特的異型結(jié)構(gòu)。



材料的優(yōu)異性能



這種纖維素光學(xué)超材料具有令人矚目的高太陽光反射率（0.98）和紅外發(fā)射率（0.97）。其光學(xué)性能十分突出，可與現(xiàn)有的光子晶體和光學(xué)超材料相媲美，能有效用于日間輻射降溫領(lǐng)域。



戶外測試表明，該纖維素基輻射制冷涂層可以實現(xiàn)低于環(huán)境溫度5.7℃的制冷效果。建筑節(jié)能模擬顯示，其夏季可以實現(xiàn)40%的制冷能耗節(jié)約。



研究發(fā)現(xiàn)，材料在微納米尺度上的異型結(jié)構(gòu)與光有著獨特的相互作用，這是其擁有良好光學(xué)性能的原因所在。這種相互作用一方面能將太陽光強烈反射，另一方面可以把室內(nèi)熱量自動散發(fā)出去，從而達到室內(nèi)降溫的目的。



廣泛的應(yīng)用前景



戶外涂層材料：當(dāng)這種纖維素光學(xué)超材料被涂敷在建筑物表面時，其卓越的性能將發(fā)揮巨大作用。在炎熱的夏日，它能夠有效地反射太陽光，減少建筑物對熱量的吸收。據(jù)實際測試數(shù)據(jù)，使用該材料涂層的建筑物，室內(nèi)溫度相比未使用的可降低 3-5℃。這意味著人們可以減少對夏季空調(diào)的依賴，顯著降低空調(diào)能耗。以一個 100 平方米的住宅為例，若使用傳統(tǒng)制冷方式，夏季空調(diào)能耗約為 1500 度電，而采用這種涂層后，能耗可降低至 900 度左右，節(jié)約幅度達到 40%。不僅如此，還能減輕城市熱島效應(yīng)，改善整體環(huán)境質(zhì)量。



戶外工作設(shè)備：在諸如通信基站、電力設(shè)備等戶外工作設(shè)備上涂敷這種材料，能夠顯著降低設(shè)備的工作溫度。實際數(shù)據(jù)表明，涂敷后的設(shè)備表面溫度可降低 8-10℃。這不僅減少了設(shè)備因高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱膨脹，延長了使用壽命，而且降低了維修和更換成本。據(jù)統(tǒng)計，對于頻繁暴露在高溫環(huán)境下的設(shè)備，維修成本通常每年在 5000 元以上，而使用這種涂層后，維修成本可降低 30%左右，約為 3500 元。



熱電裝置：將該材料與熱電裝置結(jié)合并涂敷在其表面進行耦合，能夠利用溫差發(fā)電原理，在戶外環(huán)境中產(chǎn)生電能。實驗數(shù)據(jù)顯示，在溫差為 10℃的條件下，每平方米的裝置每小時可產(chǎn)生約 5 瓦的電能。這對于微型設(shè)備的供電具有重要意義，例如為環(huán)境監(jiān)測傳感器、遠程通信設(shè)備等提供穩(wěn)定的電力支持，減少對傳統(tǒng)電池的依賴，降低維護成本和環(huán)境污染。



露水收集：在干旱地區(qū)，水資源的獲取至關(guān)重要。當(dāng)這種材料被刷涂用于露水收集時，其輻射冷卻物理過程能夠顯著降低冷凝板表面溫度。實際測試中，冷凝板表面溫度可比環(huán)境溫度低 6-8℃，從而大幅提高露水收集效率。在某些干旱地區(qū)，常規(guī)露水收集裝置每天收集量約為 5 升，而采用這種涂層的裝置可將收集量提高至 8 升以上，有效緩解了水資源缺乏的問題，為當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了希望。



未來的研究方向



目前，團隊已成功制造出纖維素輻射制冷材料的雛形。接下來，他們計劃著重探索以下幾個方面：



首先，致力于降低纖維素輻射制冷材料的成本，提高其性價比，以促進大規(guī)模應(yīng)用。



其次，深入研究材料的長期穩(wěn)定性和耐久性，確保其在各種環(huán)境條件下能持續(xù)發(fā)揮良好的制冷效果。



此外，進一步拓展該材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用可能性，挖掘其更多潛在價值。



最后，加強與相關(guān)領(lǐng)域的合作與交流，融合多學(xué)科的知識和技術(shù)，推動纖維素光學(xué)超材料的不斷發(fā)展和完善。



蔡晨陽副教授團隊的研究成果為發(fā)展新一代生物質(zhì)輻射熱管理材料提供了嶄新的思路，也為解決全球能源和環(huán)境問題貢獻了一份力量。隨著研究的深入和技術(shù)的進步，相信這種纖維素光學(xué)超材料將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟和社會效益。同時，這一突破也激勵著更多科研人員勇于探索、跨學(xué)科合作，為推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步而努力。在未來，我們或許可以期待更多基于纖維素光學(xué)超材料的創(chuàng)新應(yīng)用，為人類的生活帶來更多便利和可持續(xù)發(fā)展的可能。



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