利用可持续生物质和矿物实现地球冷却：分级纳米结构开启下一代辐射冷却技术

《The Innovation》：Cooling the globe with sustainable biomass and minerals: Hierarchical nanostructuring unlocks next-generation radiative cooling

　　

正文

在日益加剧的气候危机和不断强化的极端热浪驱动下，被动日间辐射制冷（PDRC）作为一种颠覆性的零能耗热管理策略应运而生。^, 理想的PDRC材料必须同时实现超高的太阳反射率（>90%）以及在大气透明窗口（8–13 μm）内的高中红外发射率。迄今为止，现有的PDRC材料——包括光子晶体、无机陶瓷和石化基聚合物——面临三大关键瓶颈：制造工艺能耗高、依赖不可降解的化石资源、以及机械强度或户外耐久性不足。这一挑战引发了可持续材料工程领域的一个根本性问题：能否通过对可再生生物质和天然矿物进行理性结构调控，在单一材料平台上实现高效辐射制冷、优异的机械性能和绿色制造？

近期两项研究表明，通过分级纳米结构工程，可以从木材和矿物中设计高性能制冷材料，克服传统PDRC系统的局限性。Wu等人通过包括脱木素、碱处理、粒子-溶液冲击和空气干燥在内的多步晶体重构工艺，报道了一种基于天然木材的辐射制冷生物复合材料（图1A）。所得材料的太阳反射率为94.7%，中红外发射率为90.1%，理论制冷功率达106 W/m²，户外低于环境温度的降温幅度达8.8°C（图1C）。与此同时，Chen等人采用非溶剂诱导相分离（NIPS）策略，利用天然层状矿物（如云母和高岭土）构建了矿物水塑性体（图1B）。通过将云母替换为方解石，该水塑性体实现了超过90%的太阳反射率和优异的中红外发射率，户外降温幅度达2.6°C（图1D）。此外，该材料具有V-0级阻燃性，极限氧指数为37.6%，表面硬度高达0.23 GPa，并具有出色的成型性。综上，这些发现证明，将可再生资源与分级纳米结构相结合，可以有效地解决冷却效率与结构性能之间长期存在的矛盾。

图1 分级纳米结构工程开启下一代辐射制冷

显示完整图注图片查看器

(A) 木材的自上而下分级纳米结构工程。经许可转载。版权所有2026，Springer Nature。

(B) 矿物的自下而上非溶剂诱导相分离。经许可转载。版权所有2026，Elsevier。

(C和D) 木材基（C）和矿物基（D）材料的辐射制冷性能。

(E和F) 实用化PDRC材料面临的当前挑战（E）和未来的解决方案（F）。

其内在机理揭示了多尺度结构调控如何支配光子与声子的输运行为。聚合物/纤维素基质与矿物填料并非作为独立组分发挥作用，而是作为耦合相协同工作：矿物提供强光学散射、红外活性振动、硬度和阻燃性，而聚合物或纤维素网络则调控可加工性、颗粒分散性、界面粘附和应力传递。在木材基制冷材料中，光学和力学增强通过互补途径实现。脱木素和碱处理诱导纤维素从Iβ型转变为II型，使结晶度提高至77.2%。随后SiO₂和h-BN纳米颗粒的渗入形成了具有折射率失配的双相界面，最大化了Mie散射，而C–O–C和Si–O振动则贡献了90.1%的强中红外发射率。在力学方面，毛细驱动自致密化和氢键重构形成了取向纤维素框架，其中矿物-纤维素界面促进了载荷传递和裂纹偏转。关键创新——被称为"粒子-溶液冲击"——通过动态调控水合状态来实现纳米颗粒的均匀渗入和稳健的界面结合。光学散射中心与力学增强体的分级整合有效地协调了冷却效率与结构耐久性。

在方解石基矿物水塑性体中，辐射制冷源于矿物-聚合物界面的多重散射，而Si–O和C–O–C键的声子极化激元共振贡献了中红外发射。矿物相贡献反射率、硬度和防火性，而聚丙烯酰胺（PAM）网络则通过NIPS诱导的链重排和压力辅助致密化提供成型性和内聚力。纤维素纳米纤维进一步增强了PAM-矿物界面，形成了高度取向的"砖-灰浆"结构，其硬度和耐磨性优于工程塑料。两种体系共享一个共同的设计原则：溶剂或非溶剂刺激调控水合状态、分子重排和氢键界面，从而在单一材料平台上整合辐射制冷、机械鲁棒性和可加工性。

尽管具有多功能集成特性，两种材料体系表现出截然不同的性能权衡，决定了它们的应用场景。木材基制冷材料具有106 W/m²的卓越制冷功率和416.7 MPa的拉伸强度，适用于承重应用。然而，过量的纳米颗粒负载（>19 wt%）会引起表面开裂，需要精确的成分优化。此外，尽管高结晶度增强了强度，但限制了柔韧性，使最大拉伸应变仅达到5.6%。超疏水改性提高了耐潮性，但将太阳反射率从94.7%略微降低至93.2%。相比之下，矿物水塑性体的溶剂响应光学透明性为智能窗户提供了潜力，但长期循环稳定性尚需进一步验证。其户外低于环境温度的降温幅度（2.6°C）低于木材基复合材料（8.8°C），这是因为相对于定制化的纳米颗粒-纤维素拓扑结构，矿物-聚合物界面的光学散射效率较低。本质上，这两种范式优先考虑不同的特性：木材基设计优先考虑高强度和冷却效率，而矿物基设计则侧重于阻燃性和成型性。因此，未来的应用必须仔细针对特定场景进行定制，如承重外墙和自适应智能窗户。

将这些实验室成果转化为实际应用需要克服四项挑战（图1E）。(1) 制造成本高且能耗大。尽管两种工艺路线都避免了1000°C以上的烧结，但粒子-溶液冲击、NIPS和100 MPa下的致密化仍然耗时耗能量大。木材脱木素还需要消耗NaClO?和NaOH并产生废水。(2) 长期耐久性尚未得到验证。木材基生物复合材料仅在户外测试了45天，其在湿度、紫外照射、温度循环和磨损条件下的反射率和疏水涂层的稳定性尚不清楚。矿物水塑性体在反复回收后仍保留约75%的强度，但其可逆透明度的耐久性仍不明确。(3) 环境安全和生命周期可持续性需要系统性评估，涵盖原料采购、化学和能源投入、使用寿命、回收利用和末端管理。h-BN、SiO?、PVA和PAM的环境归宿和生态毒性仍待解决。尽管据报道其碳足迹相对较低（4.82 kg CO? eq. kg?1），但仍高于传统PET（3.81 kg CO? eq. kg?1），需要进一步优化。(4) 材料发现仍停留在经验阶段。冷却性能反映了成分-微观结构-环境的耦合相互作用，使得试错式开发缓慢且资源密集，阻碍了高性能、可规模化、可持续材料的识别。

展望未来，PDRC材料必须从概念验证发展到可规模化、耐用和集成的建筑技术（图1F）。四大优先方向由此产生。(1) 智能响应系统应将低能耗、可规模化的制造与动态热调控相结合。基于矿物水塑性体的溶剂响应透明性，温度-湿度自适应材料和电致变色或光致变色表面可以调节制冷功率，防止冬季过度制冷。(2) 多材料集成应将辐射制冷与承重能力、隔音、自清洁和耐久性相结合，使木材基生物复合材料能够作为外墙结构组件使用。将PDRC与光伏耦合可以通过被动热管理提高太阳能电池效率。(3) 生命周期绿色设计应将良性原料、低能耗加工、已验证的耐久性和高效回收在材料-建筑-回收-再制造循环中统一起来。室温、无溶剂方法（如太阳能辅助膜干燥替代热压）可以降低生产成本和环境影响。(4) 数据驱动设计应通过整合分子动力学、有限元分析、高通量筛选和机器学习来优化聚合物-矿物-纤维素界面，以预测最佳成分和纳米颗粒形貌。对地球丰富的木材和矿物进行分级工程，从而能够实现高效、自适应和可持续的辐射制冷，同时助力全球碳中和。

资助与致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32501570）、中央高校基本科研业务费（2572025JT02）、中国博士后科学基金（2026T190525, GZB20250477, 2025M781868）和黑龙江省博士后科学基金（LBH-Z24059）的支持。

利益声明

作者声明不存在利益冲突。