东南大学陈永平《AFM》：纳米微结构+塑料=被动辐射冷却材料

发布时间：2024-12-23 01:14

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随着对全球变暖和能源消耗的日益关注，基于环保和可再生材料实现被动冷却具有非凡的意义。这样，无需能量消耗就可以实现物体的有效降温，将对世界的能源格局和全球气候产生重大影响。然而，被动辐射冷却材料的往往需要复杂的制备方法，并且已损坏，不可再生，这些都需要巨大的资源消耗，并且可能对环境有害。这对被动辐射冷却材料的开发与推进提出了巨大的挑战。

为了解决这个问题，东南大学陈永平团队采用局部受限聚合方法，制备了一种具有重塑性和自修复性能的纳米微结构塑料。该塑料在红外区域具有约0.9的高发射率和与96%的日光反射率。与传统塑料相比，纳米微结构塑料对于高大建筑物和微型电子器件具有较好的冷却效率。此外，纳米微结构塑料中的物理交联网络使得材料本身具有重塑性和自修复性。因此，这类材料不仅有效实现了热管理，而且同时具备了环境友好特性。该研究以“Reconfigurable and Renewable Nano‐Micro‐Structured Plastics for Radiative Cooling”发表在《 Adv. Funct. Mater.》上。

【纳米微结构塑料的设计】

设计被动辐射冷却材料有两个要点：1）增强纳米级波长的阳光反射率并改善微米级波长的热量耗散率，2）引入可逆交联物理网络以赋予材料自修复性能。为此，作者通过局部受限聚合制备了具有特殊纳米微结构的材料。以两亲性的甲基丙烯酸为例，可以通过引入阳离子来调整亲疏水性，在水中形成微米级的液滴并均匀分散。由于疏水缔合作用，单体在液-液界面处富集发生受限聚合，纳米级富集的聚合物形成物理交联点，最终形成具有微孔网络的水凝胶。在冷冻干燥后，作者获得了白色的塑料，其中纳米级的骨架和微孔结构都被很好的保留，微孔网络的平均孔径为10μm。

图1. 纳米微结构塑料的设计示意图与电镜图

【纳米微结构塑料的光子性能和自修复性】

纳米微结构塑料显示出明亮的白色，经过测量，塑料对500-1500 nm范围内的太阳光具有约96％的高反射率，在红外区域体现出了平均0.9的高辐射率。通过建立能量平衡模型，作者计算了纳米微结构塑料的净冷却功率，由于纳米微结构的存在，其冷却效率在夜间为140 W·m-2，在白天可以达到100 W·m-2，与先前报道的材料相比，微结构塑料在理论上表现出了更加优异的被动辐射冷却性能。

图2. 纳米微结构塑料的光子性能

由于微孔网络是通过纳米级受限聚合物交联的，其相互作用是可逆的，因此, 纳米微结构塑料具有形状重塑和自修复的能力。与众不同的是，自修复过程无法自发进行而需要外部刺激（例如添加水）。在修复过程中，动态氢键吸引聚合物链穿过断裂面，并且相互扩散，48小时内即可完成整个过程。修复前后的光子性能差异小于6%，机械性能基本不变。

图3. 纳米微结构塑料的重塑性

【纳米微结构塑料的冷却性能】

与汽车和电子行业中常用的常规塑料（例如聚碳酸酯）进行比较，作者发现纳米微结构塑料具有较低的热导率（0.17 W·m -1·K -1）。随后，在消除热传导和对流的影响后，作者对比了聚碳酸酯薄片与纳米微结构塑料在白天的辐射冷却性能。将两种材料放置在人工草坪上，经太阳照射30分钟后，无覆盖物的草坪温度上升至52.7℃，聚碳酸酯薄片下的温度为42.1℃，而纳米微结构塑料下的温度仅为39.2℃。这体现了纳米微结构塑料在白天室外冷却中的出色性能。

图4. 纳米微结构塑料在日光下的冷却性能

随后，作者进一步使用两种材料覆盖电子器件，对比他们在电子设备中的冷却性能。通电后，器件温度可以上升至76.4℃。当覆盖材料后，聚碳酸酯的表面温度为31.6℃，而纳米微结构塑料的表面温度为37.3℃，这表明纳米微结构塑料可以将更多的热量从表面释放出去。移除材料后，覆盖纳米微结构塑料的器件温度下降到72.3℃，比使用商用聚碳酸酯的地8.6℃，比裸机温度低4.1℃。这些结果表明，纳米微结构塑料有望进一步投入电子产品设备冷却器件的使用。