冰雪在日常生活中起著重要的作用,從食物存儲(chǔ)、冰雪運(yùn)動(dòng)、到自然生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)估計(jì),僅冷鏈?zhǔn)澄锎鎯?chǔ)一項(xiàng)就消耗量世界電力的11%,并產(chǎn)生了大約2.5%的溫室氣體排放。因此,開發(fā)不消耗能源的被動(dòng)式抗融方案具有廣泛的需求和重大的意義。冰雪在太陽光下融化的原因主要是入射的太陽能與自身發(fā)射出去的紅外輻射項(xiàng)能流不匹配(圖1A 和1B)。被動(dòng)式輻射制冷提供了一種平衡這兩項(xiàng)能流的新策略。但是將輻射制冷用于冰雪抗融,對(duì)于材料的輻射制冷性能、環(huán)境友好性以及材料來源豐富性等方面提出了極其嚴(yán)格的要求。
近日,南京大學(xué)光熱調(diào)控中心的研究人員和合作者共同開發(fā)設(shè)計(jì)了一種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的環(huán)境友好的醋酸纖維素(CA)輻射制冷薄膜(圖 1C-F,圖2A-F), 從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩方面證明了該薄膜可以有效的保護(hù)多種形式/尺度的冰,減緩其消融(圖2G-I、圖3、圖4)。研究成果以“Protecting ice from melting under sunlight via radiative cooling”在期刊《Science Advances》上發(fā)表。該工作也為進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)高效、可規(guī)模化生產(chǎn)、符合可持續(xù)發(fā)展要求的材料提供了重要的借鑒。
圖1. 具有多級(jí)結(jié)構(gòu)、環(huán)境友好的CA膜通過輻射制冷被動(dòng)保護(hù)陽光下的冰。A)低/中和B)高緯度地區(qū)冰系統(tǒng)的能量傳輸過程。太陽輻射與中紅外發(fā)射是主要的能量輸入與輸出。兩項(xiàng)能流的不匹配造成了冰的融化。C-F)CA膜的多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生命周期。
圖2. CA 膜用于低/中緯度戶外冰凍食物保存。A)薄膜孔對(duì)于太陽光散射的理論分析。B)所制備薄膜的光學(xué)照片。C)所制備薄膜的SEM照片。D)太陽光反射譜和紅外發(fā)射譜。鋁箔、白紙、PET-Al-PE膜作為常用的食物包裝材料用作實(shí)驗(yàn)對(duì)照。E)CA膜的輻射制冷性能。F)照片展示了所制備的CA膜被剪裁為一個(gè)便攜、可折疊的食物存儲(chǔ)袋。G)被不同材料包裹下冰凍食物的能量流。H)被不同材料包裹的冰凍食物的溫度曲線。I)被不同材料包裹的冰激淋經(jīng)過~80分鐘、~540 W/m2太陽光照射后的照片。CA膜提供了最好的保護(hù)效果。
圖3. CA膜對(duì)于冰和雪的保護(hù)。A)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。腔室內(nèi)環(huán)境溫度控制在極地地區(qū)夏季氣溫附近。B)冰塊溫度對(duì)照。C)CA膜實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的降溫。D)實(shí)驗(yàn)照片記錄了冰塊經(jīng)過數(shù)天戶外曝曬后的形貌變化。E)冰塊的質(zhì)量衰減曲線。F和G)對(duì)于雪的保護(hù)效果展示。
圖4. 對(duì)高緯度冰的保護(hù)(理論計(jì)算結(jié)果)。A)冰山(數(shù)十平方千米)厚度變化。B-D)地圖展示了施加與不施加CA膜海冰的含量(%)差異。黑色虛線標(biāo)記了施加區(qū)域的范圍。E和F)地圖展示了施加與不施加CA膜海冰反射率以及地表溫度(℃)的差異。
原文鏈接:
Protecting ice from melting under sunlight via radiative cooling
JINLEI LI , YUAN LIANG , WEI LI , NING XU , BIN ZHU , ZHEN WU , XUEYANG WANG , SHANHUI FAN , MINGHUAI WANG , AND JIA ZHU
SCIENCE ADVANCES
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9756
- 四川大學(xué)鄧華教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》:電介質(zhì)聚集誘導(dǎo)的穩(wěn)定光學(xué)性能用于低成本輻射制冷 2025-07-11
- 鄭州大學(xué)王建峰/王萬杰 Small/Nano Energy:熔融加工一步原位成型分級(jí)多孔聚合物納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境輻射制冷 2025-03-30
- 陸軍裝甲兵學(xué)院張勇等 ACHM 綜述:先進(jìn)被動(dòng)日間輻射制冷 - 從材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到多功能集成化應(yīng)用 2025-01-03
- 中國科大陳立鋒教授課題組 Adv. Mater.: 設(shè)計(jì)高離子傳導(dǎo)性與高粘結(jié)強(qiáng)度三醋酸纖維素基通用粘結(jié)劑用于高壓鈉離子電池陰極 2025-04-07
- 深圳大學(xué)田雷/朱才鎮(zhèn)/徐堅(jiān)團(tuán)隊(duì) Angew:纖維素基準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)超長穩(wěn)定循環(huán) 2023-03-12
- 浙江工商大學(xué)胡夢(mèng)欣課題組 ACS AMI:靜電紡納米纖維膜加速益生菌生物膜的形成與富集 2022-07-09
- 理化所李明珠/江雷團(tuán)隊(duì)、化學(xué)所宋延林團(tuán)隊(duì) Matter:受金龜子啟發(fā)的高亮度彩色日間輻射制冷薄膜 2024-11-17