Science：木材能制冷？听听胡良兵团队怎么说

热力学第二定律告诉我们，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体（克劳修斯表述）。那么，面对夏日“热烈”的拥抱，待在开了空调的屋子里可能才是最冷静的选择。不过，目前空调制冷的工作原理决定了这种降温方法会带来大量的能耗。以能耗大户美国为例，建筑物消耗的能源占美国总能源需求的40%以上，年花费估计在4300亿美元上下，而其中供暖和制冷的能耗又占到将近一半。据统计，美国西南部的家庭平均每年需要花费约400美元为他们的房子“降温”。除了花费大，空调制冷剂的大量生产和使用，也带来了不可忽视的环境问题。

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相比之下，建筑物制冷要比供暖还要更有挑战性一点，参考热力学第二定律，要制冷还得找到个比环境温度低的物体。实际上，在我们周围一直存在着一个很好的“低温物体”——外太空，它温度超低，对我们来说还几乎无限大。近年来，科学家们开发了一些被动辐射制冷（passive radiative cooling）材料，这些材料一方面对太阳光有着高反射率，避免被阳光加热，另一方面在大气红外辐射窗口（8-13 μm）具有很高的辐射率，能将吸收的热量以红外的形式发射向外太空。这样一来，无需外部能量输入就可有效帮助建筑物降温。不过，此前开发的辐射制冷薄膜或者涂料，还需要在建筑材料上的施工步骤，有没有可能直接将建筑材料变成辐射制冷材料呢？

近日，美国马里兰大学帕克分校胡良兵教授团队和科罗拉多大学波尔得分校尹晓波教授团队合作，利用过氧化氢脱去天然木材中的木质素，再经过致密化处理，制出机械强度超过天然木材8倍且昼夜皆可辐射制冷的新型结构材料。这种“辐射制冷木材”可直接作为建筑物的屋顶和墙板，使其温度最多降低10 °C左右，制冷能耗则最多减少60%。相关论文发表于Science 杂志，共同第一作者为Tian Li博士、Yao Zhai博士、Shuaiming He博士。

尹晓波教授（左）与胡良兵教授（右）。图片来源：CU-Boulder / UMD

不少读者都或多或少听说过胡良兵教授团队关于木材的研究，比如2018年的超级木材（Nature, 2018, 554, 224, 点击阅读相关），将这种传统材料“玩”的如此风生水起，小希也是佩服不已。尹晓波教授团队的研究重点之一就是辐射制冷，他们曾于2017年报道了一种辐射制冷薄膜，冷却功率高达93 W/m²（Science, 2017, 355, 1062）。这次，强强联合推出的“辐射制冷木材”，可以说是集合了两个团队的研究智慧。

我们先来看看胡良兵团队如何介绍这一工作：

视频来源：UMD

天然木材由三种主要成分组成：纤维素、半纤维素、木质素。其中纤维素和半纤维素形成长的纤维结构，而木质素起的作用就像是粘合剂，将纤维束结合在一起。木质素吸热之后，会发出近红外光，而近红外光很容易被周围空气中的分子吸收，空气由此获得热量，所以密闭的木屋之内即使没被太阳直射也会很热。很明显，木质素要被除去。研究者偶然发现了一个简单的化学过程就可以做到这一点。将木材浸泡在过氧化氢溶液中，可将其中的木质素长链分子打断，并溶入溶液中除去；再经过压制，这种“辐射制冷木材”就制备出来了。

“辐射制冷木材”照片、微观结构及制冷效果测试装置。图片来源：Science

有趣的是，去除木质素后的“辐射制冷木材”外观呈白色，具有极高的反射率（96%），可以将大部分阳光反射出去。同时，不像大多数材料被加热后会以近红外光的形式辐射能量，这种新型结构材料吸收周围环境的热量后，再辐射的是中红外光，而空气分子不吸收这种波长红外光的能量。如果正对着天空发射，这些红外光将不受阻碍地通过并将能量传递到外太空。实验结果表明，这种“辐射制冷木材”在大气红外辐射窗口（8-13 μm）的平均辐射率大于0.9，可有效散发热量。

“辐射制冷木材”的光学表征和热测量。图片来源：Science

机械性能测试结果表明，“辐射制冷木材”作为建筑材料肯定没有问题。其拉伸强度高达404.3 MPa，是天然木材的8.7倍；比拉伸强度为334.2 MPa cm³/g，超过了大多数结构材料，包括铁-锰-铝-碳钢、镁、铝合金和钛合金等；韧性甚至可以达到天然木材的10.1倍。研究者认为，良好的机械性能，源自脱木质素和机械压制过程中反复形成的氢键，以及在分子尺度上断裂所产生的能量耗散。

“辐射制冷木材”和天然木材性能对比。图片来源：Science

如果将“辐射制冷木材”用于建筑物表面，最多可以使建筑物温度降低最高10 ℃左右。针对美国16个不同的城市，研究者们还计算了这种材料的应用能够带来的节能效果。数据表明，“辐射制冷木材”可减少建筑制冷能耗20%到60%之间，在炎热干燥的气候条件下，“辐射制冷木材”特别具有应用价值。

“辐射制冷木材”的节能效果研究。图片来源：Science

“这是一项杰出的工作”，俄勒冈州立大学John Simonsen说，然而“新的木材可能很昂贵，潜在的能源节约可能不会抵消价格成本”。^[1] 除了成本之外，木材作为建筑材料还要考虑易燃性和耐用性等问题。当然，本研究更多是一种概念验证，研究者给我们提供了一种很有意思的研究思路，其实用价值还要我们未来一起挖掘。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A radiative cooling structural material

Tian Li, Yao Zhai, Shuaiming He, Wentao Gan, Zhiyuan Wei, Mohammad Heidarinejad, Daniel Dalgo, Ruiyu Mi, Xinpeng Zhao, Jianwei Song, Jiaqi Dai, Chaoji Chen, Ablimit Aili, Azhar Vellore, Ashlie Martini, Ronggui Yang, Jelena Srebric, Xiaobo Yin, Liangbing Hu

Science, 2019, 364, 760-763, DOI: 10.1126/science.aau9101

导师介绍

胡良兵

https://www.x-mol.com/university/faculty/35057

参考文献：

1. This engineered wood radiates heat into space, potentially slashing cooling costs

https://www.sciencemag.org/news/2019/05/engineered-wood-radiates-heat-space-potentially-slashing-cooling-costs

（本文由小希供稿）