结构可降解生物塑料超薄膜实现高效持久被动辐射冷却

为解决传统辐射冷却材料环境稳定性差与降解性矛盾的问题，郑州大学刘宪虎团队通过结晶调控策略开发了具有双连续结构的生物塑料冷却超薄膜（BPCM）。该材料在保持完全可降解性的同时，实现了98.7%太阳光反射率和96.6%热发射率，日间最大降温9.2°C，并在强酸（pH 1）和紫外线（8个月等效老化）下维持5-6.5°C冷却性能。这项发表于《Cell Reports Physical Science》的研究为可持续辐射冷却材料设计提供了新范式。

　　

随着全球气候变暖加剧，被动辐射冷却（Passive Radiative Cooling, PRC）技术因其零能耗降温特性成为研究热点。然而现有材料面临两大困境：石油基聚合物存在白色污染风险，而生物基材料又普遍存在耐久性差的问题。特别是传统聚乳酸（PLA）基冷却材料，虽具备可降解优势，但难以兼顾光学性能与环境稳定性。这一矛盾严重制约了PRC技术的实际应用。

针对这一挑战，郑州大学材料科学与工程学院刘宪虎团队创新性地提出低温两步相分离（Low-Temperature Two-step Phase Separation, LTPS）策略，成功制备出具有双连续结构的生物塑料冷却超薄膜（Bioplastic Cooling Metafilm, BPCM）。该研究通过调控PLLA（左旋聚乳酸）与PDLA（右旋聚乳酸）的立体复合结晶（Stereocomplex Crystals, SCs），在分子尺度构建了高完整性晶体网络，最终获得集超高反射率（98.7%）、优异热发射率（96.6%）和超低热导率（0.049 W m^-1 K^-1）于一体的新型材料。相关成果发表于《Cell Reports Physical Science》。

研究团队主要采用三项关键技术：1）通过低温两步相分离（LTPS）调控微观结构自组装；2）利用流变学测试和广角X射线衍射（WAXD）分析结晶行为；3）结合有限差分时域（FDTD）模拟优化光学性能。户外实测在中国郑州（北纬34°78'）和澳大利亚阿德莱德（南纬34°52'）两地完成。

关键研究发现

制造工艺与结构调控
通过对比室温相分离（RPS）、低温相分离（LPS）和LTPS三种工艺，发现LTPS处理的PLLA/PDLA（3:1）样品形成最均匀的双连续网状结构（平均孔径1.61μm）。冷处理12小时的前驱体溶液呈现独特的"链缠结增强"现象，促进SCs形成（结晶度达29.7%），熔点提升至218.5°C。

光学性能与节能模拟
双连续结构引发米氏散射共振效应，使太阳光反射率较传统工艺提升2%。FDTD模拟证实0.5-4μm孔径范围对光散射最有效。建筑能耗模拟显示，该材料在拉萨等城市可降低20.3%年度制冷能耗。

冷却性能测试
在中国郑州的户外测试中，BPCM实现日均降温4.9°C（日间最高9.2°C），冷却功率达136 W m^-2。夜间降温效果更显著（5.1°C），归因于84.6%孔隙率带来的绝热性能。

耐久性验证
经过pH=1强酸浸泡120小时和8个月等效UV老化后，SCs结晶度增至34.6%，维持5-6.5°C降温能力。水接触角仅从105°轻微下降，保持疏水性。

这项研究的意义在于：首次通过结晶工程策略解决了生物基PRC材料的"耐久性-可降解性"悖论。所开发的BPCM不仅性能超越传统石油基材料，其完全可降解特性更符合碳中和需求。特别是SCs晶体的引入，为调控生物塑料的微结构-性能关系提供了新思路。该成果有望推动下一代可持续冷却材料在建筑、农业等领域的应用，对缓解城市热岛效应具有重要价值。