基于树木启发的辐射-蒸发协同冷却系统：突破被动式日间制冷功率极限的新策略

为应对传统制冷技术高能耗及温室气体排放问题，研究人员开发了一种结合辐射冷却（Radiative cooling）与蒸发冷却（Evaporative cooling）的木质复合材料系统。该系统通过疏水性Al2O3/CMF复合层实现98.55%太阳光反射率和91.67%大气窗口发射率，在30分钟测试中达到980 W m?2的平均冷却功率，日间空气温度最大降低19.7 ℃，为可持续制冷技术提供了突破性解决方案。

　　

随着全球极端高温事件频发，到2050年制冷能耗预计将相当于美国、欧盟和日本2016年发电总量之和。传统空调依赖压缩技术，不仅耗电巨大，还会加剧温室效应。更关键的是，现有技术仅能转移热量而非将其从地球环境中消除。辐射冷却技术通过大气窗口（8-13 μm）向太空释放热辐射，虽具有零能耗优势，但受限于普朗克黑体辐射定律，300 K物体的理论最大冷却功率仅150 W m^?2，严重制约其商业化应用。

针对这一瓶颈，中国的研究团队受树木蒸腾作用启发，开发出集成辐射与蒸发冷却的复合系统。研究以化学处理的木材为基底，顶部覆盖疏水性氧化铝纳米颗粒-纤维素微纤维（Al₂O₃/CMF）复合材料，通过多尺度结构设计实现超高太阳光反射率和红外发射率。该成果发表于《Next Energy》，首次将被动日间冷却功率提升至980 W m^?2，较传统辐射冷却技术提升6.5倍。

关键技术方法包括：1）化学处理去除木材中吸热的木质素；2）冻干法制备Al₂O₃/CMF复合层；3）紫外-可见-近红外光谱和傅里叶变换红外光谱测定光学性能；4）基于热补偿系统的户外冷却功率测量。

【材料设计与表征】
研究通过NaOH/Na₂SO₃溶液处理木材去除吸热的木质素，保留垂直排列的微通道结构（图2a）。SEM显示Al₂O₃纳米颗粒（300-600 nm）嵌入纤维素基质形成颗粒状表面（图2c），接触角达134°（图2d）。这种结构既保证水分输送，又防止液态水渗透。

【光学性能优化】
基于米氏散射理论，选择400-600 nm Al₂O₃颗粒实现多峰散射（图3a）。紫外-可见光谱显示98.55%的太阳光反射率，红外光谱显示91.67%的大气窗口发射率（图3b）。纤维素分子中O-H（3330 cm^?1）和C-O-C（1150 cm^?1）键振动增强了红外发射。

【蒸发冷却协同机制】
木材的毛细作用使蒸发速率达0.23 kg m^?2 h^?1（黑暗条件），是纯水的2.3倍（图3c）。在1太阳光强下，95.54%蒸发热量来自环境吸热，证明复合层有效阻隔太阳光加热（图3d）。

【户外性能验证】
无辅助加热时，冷却器日间平均降低空气温度7.9 ℃，峰值达19.7 ℃（图4c）。热补偿系统实测平均冷却功率980 W m^?2（图4e），阴天仍保持5.5 ℃温降（图4f）。对比实验显示，蒸发冷却使系统温度较纯辐射冷却降低3.9 ℃（图5）。45小时连续测试证实其稳定性，应用于集装箱可使内部温度稳定在44 ℃以下（图6）。

该研究通过仿生设计突破被动冷却的物理极限，其意义在于：1）首次实现近千瓦级被动日间冷却功率；2）解决辐射冷却对天气条件的依赖性；3）木质材料兼具可扩展性和环境友好性。这种"宇宙冷源"利用策略为建筑、交通、农业等领域的零碳制冷提供了新范式，尤其适合在电力基础设施薄弱的地区推广应用。未来通过优化材料配比和结构设计，冷却性能还有进一步提升空间。