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    建築用新型纖維素氣凝膠輻射冷卻器
    （Nanowerk聚光燈)以環保及生物為基礎的高效冷卻技術的發展，對我們的日常活動，如食物保存、空調、冷藏、大規模計算，以及人體舒適度，都至關重要。目前普遍采用傳統的蒸汽壓縮技術進行冷卻。但是，壓縮過程會消耗大量電能，而壓縮過程中使用的典型氣體介質要麼會消耗臭氧層，要麼會產生強烈的溫室效應(詳情:白天被動輻射冷卻:原理、應用及經濟分析)．
    此外，這種冷卻過程隻會導致熱量從一個位置轉移到另一個位置，同時將功轉化為熱。因此，淨效應實際上是整體升溫而不是降溫，導致了各種問題，如城市熱島的產生和熱汙染。在全球變暖的背景下，這些問題變得更加令人擔憂，全球變暖造成了用於降溫的能源需求增加。
    相比之下，被動輻射冷卻是物體自然地將熱量以紅外輻射的形式從地球表麵通過大氣層釋放到外層空間，而不消耗能量的過程。輻射冷卻材料利用地球的大氣透明窗口(即大氣氣體吸收輻射相對較少的波長範圍;主要窗口為可視窗口(~ 0.3 ~ 0.9 μ m);紅外窗口為~ 8 ~ ~ 13 μ m;利用地球表麵(~ 300 K)與外太空(~ 3 K)之間的巨大溫差(~ 300 K)，利用波長大於~ 1 mm的微波窗口被動散熱。
    這項技術在節能減排方麵的巨大潛力2排放引起了基礎科學和現實世界應用的廣泛興趣，包括建築物的被動冷卻、可再生能源收集、農場的冷卻係統和幹旱地區的被動製冷。
    對天空輻射降溫的探索已經有幾十年了，但迄今為止主要局限於夜間使用(閱讀更多這項技術:輻射天空冷卻:基本原理、材料和應用)．白天的輻射冷卻也得到了證實。新的超材料可以冷卻屋頂，零能耗結構”、“自冷卻太陽能電池提高功率，持續時間更長”,“冷卻的顏色”)，但尤其是在陽光直射下，仍然是一個技術難題。這是由於在紅外發射上出現了強烈的太陽吸收，這就要求材料在高強度的太陽光譜(0.3-2.5 μ m)上具有極低的吸收率，而在其他波長上具有較高的發射率，尤其是在大氣紅外窗口(8-13 μ m)內。
    為了找到解決這個問題的辦法，幾種白天輻射冷卻材料已經提出反射大部分陽光，使從太陽吸收的熱量低於輻射冷卻水平。這些包括體介電多層膜，介電微球塗層，聚合物基PDRC塗層和塗料，塗層表麵具有一些表麵紋理圖案(如光柵圖案和褶皺)，選擇性發射器，混合超材料和光子結構。
    開發高性能冷卻器的一個關鍵挑戰是，一些材料在陽光直射下會吸收大量的熱量;其他材料在炎熱、潮濕或多雲的天氣下表現不佳。有鑒於此，設計出適合各種氣象條件的輻射冷卻器是十分必要的。
    為了克服這些挑戰，中德兩國的研究團隊共同設計並實現了基於交聯纖維素納米晶體(CNCs)的隔熱氣凝膠冷卻器，可以實現高效冷卻，滿足上述多方麵的要求
    他們把他們的發現報告在納米快報（動態可調全天候白天纖維素氣凝膠輻射過冷卻器)．這些氣凝膠冷卻器在陽光直射下可以實現亞環境溫度下降9.2°C，即使在炎熱、潮濕和變化無常的極端環境中也可以達到下降7.4°C。
    這種高效冷卻器的獨特之處在於，它同時作為隔熱體和日間被動輻射冷卻器，在一個單一的設計中集成並執行雙重功能。
    科學家們選擇這款CNC氣凝膠冷卻器的基礎是:1)在整個太陽光譜中強烈的太陽反射(0.25 - 2.5µm);2)中紅外區域高選擇性紅外發射(8 ~ 13 μ m);3)構建具有超低熱導率的氣凝膠，以減少周圍環境對內部空間的熱對流;4)結構完整性滿足日益嚴格的條件要求。
    製造CNCs構建模塊的第一步涉及到使用H的水解過程2所以4並將其分散在水中。這樣得到的cnc典型地表現為剛性的棒狀(圖1A)。隨後，研究人員將矽烷劑添加到CNC懸浮液中，這導致了用矽烷橋交聯纖維素納米晶體。將分散良好的懸浮液單向冷凍幹燥，以生產具有對齊形態的剛性-柔性交聯三維網絡的氣凝膠冷卻器。最後，將得到的CNC氣凝膠在80℃下進行熱固化。
    氣凝膠冷卻器的結構和特性
    圖1。氣凝膠冷卻器的結構和特性。(A)氣凝膠冷卻器的製備工藝。(B)超輕的本性。(C)升級潛力。(D)氣凝膠冷卻器內部結構。插圖比例尺為1厘米。(E)氣凝膠冷卻器頂部表麵形貌。插圖比例尺為1厘米。(F)氣凝膠冷卻器俯視圖和側視圖的映射圖像。 (Reprinted with permission from doi:10.1021/acs.nanolett.2c00844, American Chemical Society)
    多孔分層結構泡沫賦予氣凝膠冷卻器超輕特性，密度約為9.4 mg/cm3.．氣凝膠可以模壓成不同的形狀，如實心圓柱體、實心立方體和長方體，並且可以進行相對簡單的放大。
    研究小組使用掃描電子顯微鏡(SEM)嚴格檢查氣凝膠冷卻器的表麵和內部結構。研究發現，氣凝膠具有獨特的與錨定SiO對齊的通道2縱向截麵上的納米顆粒(圖1D)。
    此外，氣凝膠冷卻器顯示出可感知的多孔形態，以及在橫截麵上觀察到的相互連通的孔，(圖1E)。在單向凍結過程中，定向結冰形成了多孔和縱向排列的通道。如圖1F所示，在測繪圖像(橫斷麵和縱斷麵)中檢測到的C、O和Si元素是相同的，這進一步證實了交聯均勻的cnc -矽烷網絡的存在。
    不像傳統的氣凝膠冷卻器，在這項工作中，隔熱CNC氣凝膠冷卻器在單一設計中協同集成了高太陽反射率、高發射率和低熱傳導，這有助於顯著增加傳熱(圖2A)。
    特別是，凝膠的白色表明了優越的可見光散射特性，這可以解釋為特殊設計的結構和化學鍵的碳納米管。CNC氣凝膠冷卻器的化學結合和獨特的形態設計策略使得其在可見光區具有96%的高反射率，在大氣透明窗口中具有92%的高發射率，這在實時測量中得到了證明(圖2B)。
    氣凝膠冷卻器的日間輻射冷卻性能
    圖2。氣凝膠冷卻器的日間輻射冷卻性能。(A)氣凝膠冷卻器卓越冷卻性能的機理。(B)氣凝膠冷卻器在AM1.5太陽光譜和大氣透明窗口上的紫外-可見光-紅外反射率/發射度光譜。(轉載已獲得許可，來自doi:10.1021/acs.nanolett。2c00844，美國化學學會)
    CNC氣凝膠冷卻器的太陽反射率遠遠高於以往研究中提到的其他大多數輻射冷卻材料，即PVDF膜、PEG膜、PDMS纖維、纖維素塊體、紡織品、PEG氣凝膠和白木。
    這種氣凝膠冷卻器的另一個顯著特征是，當它被壓縮時，由於其可調(機械自適應冷卻性能)屬性，它的冷卻勢會下降。如圖3所示，在不同的壓縮應變(30,60,90%)下，氣凝膠冷卻器在實際應用中表現出了不同的冷卻性能。變冷能力隨應變的增加而降低，從30%到60%到90%。
    即使在動態壓縮測試下，數控氣凝膠材料也表現出優異的機械穩定性，在室溫到200°C左右的溫度範圍內塑性變形非常小。
    根據發明人的調查和報告，需要指出的是，氣凝膠冷卻器在不同壓縮應變下的反射率和紅外發射度沒有顯著變化。因此，研究人員將降溫性能的變化歸因於氣凝膠內部變形的納米/微結構引起的熱導率的變化:氣凝膠受到壓縮時，層與層之間的氣隙減小，層與層之間的距離減小，熱導率從0.029 W/mK上升到0.038 W/mK，再到0.056 W/mK，如圖3所示。
    氣凝膠冷卻器冷卻性能可調
    圖3。氣凝膠冷卻器冷卻性能可調。左:不同壓縮比下氣凝膠冷卻器的日間輻射冷卻性能。右:不同壓縮比下氣凝膠冷卻器的導熱係數。(轉載已獲得許可，來自doi:10.1021/acs.nanolett。2c00844，美國化學學會)
    研究人員指出，他們的氣凝膠表現出良好的濕度適應特性，這使得它們可以在各種氣候條件下使用，特別是在相對濕度較高的情況下。
    如下圖4所示，氣凝膠冷卻器令人印象深刻的隔熱特性可以歸因於以下幾點:
  • 1.由於纖維素納米晶體是一種有效的紅外吸收劑，輻射換熱受到限製;
  • 2.分層有序的多孔納米/微觀結構降低了固相內的熱傳導;
  • 3.對流傳熱可以忽略不計，因為排列納米多孔纖維素氣凝膠的交聯三維網絡限製了體內空氣的運動。
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    氣凝膠冷卻器的絕熱特性
    圖4。氣凝膠冷卻器的絕熱特性。(轉載已獲得許可，來自doi:10.1021/acs.nanolett。2c00844，美國化學學會)
    作者指出，中國建築氣凝膠冷卻器能耗模型顯示，冷卻能量減少了35.4%。
    總之，這種可調的纖維素氣凝膠輻射超低溫製冷機通過簡單地改變壓縮比，可以滿足世界各地不同地區和不同天氣條件下的不同冷卻需求。
    采用CNC氣凝膠的創新策略在開發一種具有成本效益、可定製、高性能和可持續的輻射冷卻技術方麵顯示了巨大的潛力，以減少全球變暖和能源消耗。
    通過Yashwant . Mahajan，副主編，Nanowerk

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