文献前沿丨ACS Nano：分层级纳米纤维素光子结构助力彩色辐射冷却
文献前沿丨ACS Nano：分层级纳米纤维素光子结构助力彩色辐射冷却
随着全球能源需求的持续增长，特别是在建筑、纺织和户外设备领域，如何实现高效且环保的冷却技术已成为亟待解决的课题。传统的辐射冷却材料通常采用白色设计以最大化太阳光反射，但在实际应用中，如建筑外立面和纺织品等，单一的白色设计难以满足美学需求，着色的辐射冷却材料又可能降低冷却效率。为此，该研究提出了一种创新的基于胆甾型结构的纤维素纳米晶体和光致发光散射体网络组成的分级光子设计，成功地在保证优异冷却性能的同时，赋予材料丰富的色彩选择，突破了冷却效率与美观性之间的传统权衡。这种协同光子设计，成功实现了92%的高反射率和大于90%的中红外（MIR）发射率。在此基础上，该设计具备了稳定且可调的结构色外观，并能够实现数小时的光致发光效应。实验表明，在阳光照射下，该结构可实现最高11.3℃的低温冷却。通过UV到MIR区域四种光学机制的协同作用，显著提高了冷却效率，为其他日间辐射冷却材料的设计提供了有希望的创新范式。
图1：设计与制造层次化日间辐射冷却（DRC）系统。
(a)设计的多功能层次化DRC系统示意图。
(b)通过协同光学机制（包括吸收-发射转换、选择性反射、光散射和中红外发射）增强的层次化DRC系统辐射冷却示意图。
(c)白天与夜间大规模生产的层次化DRC系统照片。
(d)不同基材（玻璃、PMMA、钢材和PET）上图案化层次化DRC系统的照片（尺度条= 1 cm）
图2：层次化日间辐射冷却（DRC）系统的结构与光子表征。
(a−c)不同质量分数PEG（10%、20%、30%）的SrAl2O4/CNC@织物的照片和偏光显微镜（POM）图像。
SrAl2O4/CNC@织物的扫描电子显微镜（SEM）图像（d），CNC层（e）和SrAl2O4层（f）。
(g) SrAl2O4的荧光激发与发射光谱及吸光度，叠加标准太阳光谱。
SrAl2O4/CNC@织物的反射光谱（h）与热发射光谱（i），分别叠加标准太阳光谱和大气透过率。
图3：层次化日间辐射冷却（DRC）系统的彩色图案化。
(a)打印技术的示意图。白天与夜间图案化DRC材料的照片（b）和示意图（c）（尺度条= 2 cm）。
(d)在不同角度下的结构色图案照片（尺度条= 1 cm）。
(e)在黑暗中显示光致发光（LPL）图案的照片（尺度条= 1 cm）。
(f) SrAl2O4/CNC@织物在高/低温和紫外线条件下的环境稳定性测试（尺度条= 1 cm）。
图4：层次化日间辐射冷却（DRC）系统的冷却效率评估。
(a)织物、SrAl2O4@织物、CNC@织物和SrAl2O4/CNC@织物的热红外成像（尺度条= 1 cm）。
(b)绿色SrAl2O4/CNC@织物部分覆盖墨水打印的商用涂料@织物的照片与热成像图，该涂料颜色与CNC的镜面反射色匹配。
(c)现场测试中温度测量设置的示意图。
(d)2023年9月8日，夏季期间，环境空气、织物和SrAl2O4/CNC@织物的温度记录。
(e)织物和SrAl2O4/CNC@织物的环境温度下的温差。
(f)不同h值下白天SrAl2O4/CNC@织物的计算净冷却功率。
(g)2024年1月18日，冬季期间，环境空气、织物和SrAl2O4/CNC@织物的温度记录。
(h)织物和SrAl2O4/CNC@织物的环境温度下的温差。
图5：层次化日间辐射冷却（DRC）系统的实际应用评估。
(a) SrAl2O4/CNC@织物在实际应用中的示意图。裸房、商用涂料@织物涂层房、未图案化和图案化SrAl2O4/CNC@织物涂层房的照片与热红外图像（b）、瞬时表面温度（c）和内部温度（d）（尺度条= 2 cm）。
(e)在黑暗中展示光致发光（LPL）的图案化SrAl2O4/CNC@织物涂层房照片（尺度条= 2 cm）。
(f)不同城市建筑模型的全年冷却能耗。
(g)中国不同地区的全年节能情况。
小结：本研究提出了一种可扩展且简便的方法，制造层次化日间辐射冷却（DRC）系统，成功地将鲜艳的全天候色彩与卓越的辐射冷却性能相结合。通过巧妙地结合光致发光散射网络与纳米纤维素胆甾体结构，实现了从紫外（UV）到中红外（MIR）全谱段的协同光子效应，表现出11.3°C的环境冷却效果和91.3 W/m²的净辐射冷却功率。该设计不仅提升了辐射冷却性能，还兼具可定制的结构色和光致发光特性，为未来的多功能辐射冷却技术提供了新的设计思路。
论文信息：Zhou Y, Lu C, Xiong R. Hierarchical nanocellulose photonic design for synergistic colored radiative cooling. ACS Nano, 2025, 19: 5029−39.
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00330