降溫木頭(胡良兵、尹曉波):高能效建築材料|Science述評

2021-01-15 ScienceAAAS


中科院青促會特邀評述 李恬

(馬裡蘭大學)


李恬為本論文第一作者

 

評述論文：A radiative cooling structural material (Science 24 May 2019: Vol 364, Issue 6442)

 

木材已經使用了數千年，由於其經濟上和環境上的優勢，極有可能替代鋼和混凝土，成為重要的可持續建築材料之一。由馬裡蘭大學胡良兵教授團隊和科羅拉多大學尹曉波教授團隊聯合報導了一種可以自動降溫的高性能結構材料。這種材料通過一種新型被動輻射冷卻技術產生永久散熱路徑：通過大氣透明窗口將熱量從這些結構散發到具有零能耗的超冷宇宙中。這種新技術對提高建築物能源管理效率具有巨大的吸引力。

 

由於木材纖維素的低光學損耗和無序的光子結構，降溫木材呈現出極高的光學白度，不吸收可見光。降溫木材中保持了原始木材有序排列的微米孔洞和納米纖維素，其多尺度纖維和通道作為隨機和無序的散射單元，對可見光光譜具有強烈的寬帶反射。降溫木材中纖維素的分子振動和拉伸有利於在紅外區，尤其是8至13微米的大氣透明窗口區域，產生強烈發射。因此，降溫木材通過大氣窗口輻射到宇宙中的熱量超過其吸收的太陽輻射能量，從而實現無需任何能源輸入的比環境溫度更低的製冷。與天然木材相比，降溫木材的機械強度提高了約8.7倍，韌性提高了10.1倍。降溫木材在夜間和白天（上午11點至下午2點）的平均冷卻功率分別為63 W/m2和16 W/m2。全天的平均冷卻功率為約50 W/m2。夜間和白天分別能夠實現平均低於環境溫度>9 ℃和>4 ℃的降溫。

 

圖1.（A）天然木材和（B）降溫木材的照片。（C）降溫木材的SEM圖像中顯示出排列整齊的微米級通道和 (D)納米級纖維素。（E）木頭的多孔結構表現出太陽光譜的強烈散射示意圖。（F）纖維素官能團的分子振動引起的紅外發射示意圖。（G）降溫木頭性能的實時測量。

 

該團隊使用木材這種可再生和可持續的生物材料，來實現輻射發射的方法，與以前的利用納米光子諧振器的策略有所不同。馬裡蘭大學的胡良兵教授表示：「這是我們研究組實現的木頭和纖維素納米技術的又一重大進步：降溫木材僅由木材製成，也就是說，沒有任何其他例如聚合物的成分，可以作為綠色建築材料有效冷卻您的房屋」。該團隊的李恬博士表示，「這種木材通過大氣透明窗口將熱量輻射到超冷的宇宙中去，不需要任何能量輸入，可以有效減緩全球變暖和能源危機。

 

科羅拉多大學機械工程系尹曉波和楊榮貴教授團隊致力於研發大規模生產日間輻射製冷薄膜材料以及可24小時連續工作的千瓦級輻射製冷系統。團隊的翟耀博士表示：「日間溫輻射製冷技術是一種新型的節能降溫技術。具有輻射製冷功能的木頭材料會在建築領域產生巨大影響」。

 

東北林業大學的李堅院士表示「輻射製冷木頭通過光熱管理技術，實現了原始木材的可持續性製冷功效，顯示出在新能源領域的巨大潛力, 這項工作極大地拓展了木材在新能源領域的應用，具有強勁的創新性，巨大的學術價值和商業潛力。」


「胡教授和合作者展示了另一種木材的用途，這種木材不僅結構堅固，而且還可用來有效的能源管理。有趣的是，木頭這種燃燒時可以釋放熱量的材料可用於降溫，為綠色新能源建築提供了可能，」芬蘭阿爾託大學生物製品和生物系統系教授奧蘭多羅哈斯（Orlando Rojas）說。

 

胡良兵教授在過去的8年致力於木頭和納米纖維的研究，發明了一系列相關的高端科技，包括高霧度光學紙、高清晰紙、鈉電池紙、儲能木頭、透明木頭、海水淡化木頭、超強木頭（超級木頭）、離子木頭、納米絕熱木頭、高柔性木頭、海綿木頭，和降溫木頭。胡教授作為公共創始人的一家公司（Inventwood LLC）正在進行這系列木材相關的技術商業化。

 



作者簡介：李恬

馬裡蘭大學胡良兵教授課題組博士後，馬裡蘭電子工程系博士，華中科技大學光電學院本科，曾獲馬裡蘭大學電子工程院系傑出論文獎、馬裡蘭大學傑出助研獎、美國區福布斯「30 under 30」等榮譽。作為第一作者的發表論文包括Science，Nature Materials，Nature Energy，兩篇Science Advances等。







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