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  傳統的制冷系統通常會消耗大量的能量并排放大量的二氧化碳溫室氣體，對地球環境和人類生存造成較大的負擔。輻射制冷是一種被動制冷方式，其主要是利用地球與外太空之間的大氣透明窗口（波長8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發射到外太空。夜間的輻射制冷現象已經被廣泛的觀察到，如清晨露水的產生。然而，輻射制冷現象在白天很少出現，這是因為太陽光會極大地對物體進行加熱，從而升高物體表面溫度，特別是濕熱地區。近年來，隨著光子學的發展，科研人員通過構建光子晶體結構、聚合物超材料、多孔材料等光子結構，使材料反射大量太陽光，且在大氣窗口波段有著很強的紅外發射率，從而使日間輻射制冷技術得以實現。但是，不同的地區存在不同的氣候（如高濕度、高溫度、多云地區等），這些都會對輻射制冷造成很大的影響。除此之外，目前大多數報道的制冷材料來源都不可再生。因此，設計“綠色可持續”性能可調的日間輻射制冷材料從而滿足不同天氣環境的要求仍然是一個巨大的挑戰，尤其是在炎熱潮濕的地區。

  本研究基于雙功能氣凝膠設計策略（集成輻射制冷和熱絕緣一體），通過原位化學交聯并輔助冰模板法構建綠色可再生的動態可調的纖維素納米晶輻射制冷氣凝膠材料。由于具備多層次的微納結構和分子水平上可設計的化學鍵，這種制冷氣凝膠表現出較高的太陽光反射率（96%）、紅外發射率（92%）和超低的熱傳導系數（0.026 W/mK）。它可以實現在太陽直射下降溫～9.3°C，即使在炎熱、潮濕（相對濕度～70%）和多變的天氣下也可以達到7.4°C降溫效果。并且可以通過改變氣凝膠的壓縮應變從而實現對降溫性能的可控調節。模擬計算表明如果在全國采用屋頂和墻壁鋪設該制冷氣凝膠，與傳統的建筑相比，平均可節省35.4%的制冷能源。該策略為構建高性能輻射制冷材料從而減少全球變暖和能源消耗具有重要意義。具體來說，構建這種雙功能動態可調的納米纖維素氣凝膠制冷材料基于以下四個要點：（1）通過對納米纖維素進行分子設計，構建具有較強紅外輻射的化學鍵（Si-O-C, C-O-C和Si-O-Si）,實現材料較強的紅外輻射能力；（2）采用氣凝膠設計策略實現超低的導熱系數，從而降低太陽光照射下的寄生熱；（3）非定向冷凍干燥策略賦予材料動態可壓縮性，實現輻射制冷的可控調節；（4）氣凝膠表面多維度微納結構提高太陽光散射能力和提升材料抗濕度特性，實現能在多種干濕熱環境下的實際應用。

  通過硅基偶聯劑交聯纖維素納米晶（NCC）輔助冰模板實現對氣凝膠形貌結構和化學結構的調控。通過固體核磁和紅外證實NCC表面的羥基和硅基偶聯劑發生交聯反應，生成穩定的Si-O-C化學鍵（圖1G/H）。此外，部分水解的硅基偶聯劑形成均一的SiO₂納米顆粒，均勻的鉚釘在纖維素氣凝膠的骨架上（圖1D）。這種協同的化學鍵和SiO₂納米顆粒共同提升NCC氣凝膠的紅外發射率。并且通過冰模板方法，可以實現對NCC氣凝膠的較大規模的制備（圖1A/C）。SEM分析其表面呈現多維度的微納結構，賦予材料較強的太陽光散射能力，從而提高其反射率（圖1E）。

  由于分子設計，氣凝膠中存在的高紅外輻射的化學鍵（Si-O-C, C-O-C和Si-O-Si）,相比于純納米纖維素，其紅外發射率達到92%，并且其理論輻射制冷功率得到極大的提升（圖2A）。通過理論計算和實際測試，最終輻射制冷氣凝膠的平均制冷功率可以達到~78 W/m²。為了驗證其實際的氣候適應性，選擇不同的風速（3、4、6 m/s），相對濕度（從30%到55%到70%，）和多云天氣進行材料的制冷性能測試。可以看到，當風速為6 m/s，相對濕度為30%，輻射制冷氣凝膠可以實現～9.5 ±3.05°C的降溫效果。當風速為4 m/s，相對濕度為55%，輻射制冷氣凝膠可以實現8.3±1.59°C的降溫效果。值得注意的是，在相對濕度高達70%，天氣變化劇烈（晴朗?多云?晴朗?多云）的情況下輻射制冷氣凝膠依舊可以實現～7.4±2.36°C的制冷效果。這種在各種氣候下優異的制冷效果主要來自于高太陽光反射率、高紅外輻射率、低導熱系數和優異的抗濕度能力（圖2D/E/F）。

  由于冰模板的作用，氣凝膠內部定向多維度孔道結構賦予其可壓縮性，可以實現不同應變下的壓縮可逆回復和多次壓縮循環（圖3A/C/D）。基于以上結果，測試輻射制冷氣凝膠的機械自適應冷卻性能。在不同的壓縮應變（30%增加到60%到90%），可以看到氣凝膠冷卻器表現出梯度下降的制冷效果。測試不同應變下的太陽光反射率和紅外輻射率，發現不同壓縮應變下的輻射制冷氣凝膠反射率和紅外輻射率沒有發生顯著變化。因此制冷性能的不同應歸因與隨著壓縮應變的增加，的氣凝膠熱導率逐步增大。在壓縮情況下，內部結構之間的間隙變小導致密實化，從而導熱系數從0.029 W/mK升高到0.038 W/mK再升高到0.056 W/mK。因此，通過簡單地改變壓縮率，基于輻射制冷氣凝膠冷展現出的可調的制冷性能可以為滿足不同的冷卻需求提供了巨大的潛力，特別是不同地區和不同天氣條件下的需求（圖3E/F/G）。

  可以通過將氣凝膠組裝成不同尺寸和幾何形狀的大面積塊體結構以滿足應用過程中的各種需求。通過計算模擬出將制冷氣凝膠鋪設在屋頂和墻壁所節約的制冷能耗。我們選擇了全中國較為代表性的23個城市進行模擬，可以看到，當氣凝膠鋪設在海口（6.89 kW/m²）、臺北（5.61 kW/m²）、長沙（4.96 kW/m²），武漢（4.91 kW/m²）和南昌（4.89 kW/m²）可以實現較高的制冷功率。根據這些結果，我們發現制備的氣凝膠冷卻器具有明顯的節能效果。通過計算，與傳統建筑相比，這種雙功能的制冷氣凝膠可節省全中國35.4%的平均制冷能源消耗。因此，只需要約1厘米厚的這種材料覆蓋屋頂或墻壁可以很容易地實現對屋內溫度的可控調節，從而降低能源消耗(圖4D/E)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00844