南京林业大学AFM：生物启发超白色纤维素光子材料实现高效被动辐射冷却

在当今追求可持续能源解决方案的背景下，光作为一种强大且可持续的资源，其高效利用对多种光中心技术至关重要。超白色材料因其独特的光相互作用能力而备受关注，尤其在热管理（如辐射冷却）领域。然而，由于缺乏有效且可扩展的微纳结构调控方法，实现具有极端光学性能的材料仍是一大挑战。传统无机颗粒材料如二氧化钛、氧化铝等虽广泛应用，却存在生物安全性问题和纳米颗粒二次污染的潜在风险，且其太阳反射率通常低于0.9，无法满足理论极限要求。纤维素作为一种可持续、生物相容性高的材料，因其可调控的纳米/微米结构和机械强度而成为理想候选者，但其低折射率（1.56）限制了光散射效率，难以实现超白性能。

近日，南京林业大学蔡晨阳副教授、丁春香博士提出了一种简单的自上而下策略——可编程球磨法，利用可持续纤维素在无溶剂结构重建过程中开发出可扩展的超白色光子材料。通过不同表面活性剂的辅助，纤维素在剪切/冲击变形和重组过程中形成了一系列特殊结构（如晶体状、颗粒状、片状等），称为异质结构纤维素光子材料（HCPM）。该材料在可见光区实现了高达99.3%的太阳反射率，这是低折射率材料中前所未有的成就。研究还提出了各向异性散射机制解释这一现象，并结合中红外区0.978的高发射率，实现了白天6°C的辐射冷却效率。此外，HCPM还可作为改性剂，用于调控织物、气凝胶和涂料的光学结构，为能源与环境领域的光学超材料规模化生产提供了通用策略。相关论文以“Bioinspired Superwhite Cellulose Photonic Materials with Anisotropic Diffusion Scattering for Passive Radiative Cooling”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究团队从自然界中汲取灵感，借鉴了Cyphochilus甲虫通过无序微纳结构实现高白度的机制。通过可编程湿法球磨过程，在不同表面活性剂（如SDBS、PTFE、TWEEN 80和SPAN 80）的引导下，纤维素微纤维被重组为多级异质结构，包括微米和纳米级孔隙。这些结构在300纳米至2微米波长尺度上增强了多次内部光反射和背向散射，从而实现了极高的光反射性能。图1展示了从木材到微纳尺度纤维素光子材料的形状变化过程，以及HCPM的悬浮液、粉末和压片形态。其独特的异质结构通过各向异性散射机制，在可见光区反射率高达99.3%，远超传统商业白色材料如TiO₂和Al₂O₃。

图1：异质结构纤维素光子材料（HCPM）的设计概念与制备 （A）从生物质（木材）到微/纳米尺度纤维素光子材料的形状变化示意图；（B）获得的HCPM悬浮液、干燥粉末和压片；（C）HCPM的散射机制及优势；（D）商业散射体与HCPM的太阳反射率比较；（E）HCPM中无序纳米结构与光散射的关系。

图2进一步展示了HCPM的制备过程和形态评估。球磨过程包括晶体破碎和弹性/塑性变形两个阶段，表面活性剂通过氢键、疏水作用等调控纤维素的组装行为，形成晶体状、颗粒状、片状等不同形貌。EDX映射显示纤维素化学结构未改变，表面活性剂均匀包裹在HCPM表面。FTIR和2D-WAXS分析证实了纤维素基本结构保持稳定，且HCPM表现出各向异性特性。此外，HCPM在水中表现出优异的分散稳定性，即使静置180天后仍保持白色溶液状态。

图2：HCPM的制备与形态评估 （A）基于Cyphochilus甲虫各向异性光传输机制的球磨制备过程；（B）HCPM的TEM（上）和SEM（下）图像；（C）HCPM（TWEEN 80）的EDX元素分布图；（D）HCPM在180天后的分散状态；（E）HCPM的FTIR曲线；（F）纯MCC与HCPM的2D-WAXS图像。

光学性能测试结果如图3所示，HCPM在太阳光谱区（0.3–2.5 μm）反射率超过98%，可见光区达99.3%，同时在中红外大气窗口（8–13 μm）发射率达97.8%。模拟阳光下，HCPM表面温度显著低于纯纤维素，最低达24.7°C。激光散射实验显示HCPM悬浮液和薄膜均以背向散射为主，有效减少前向散射。与传统光学材料相比，HCPM在反射率和发射率方面均表现优异，是目前报道中最白的纤维素组装材料。

图3：超白色纤维素的光学性能 （A）HCPM的太阳反射率与红外发射率；（B）HCPM的太阳反射率与红外发射率计算结果；（C）模拟阳光下HCPM的红外图像；（D）激光与HCPM相互作用的散射效果；（E）HCPM与传统白色光子材料在太阳反射率和红外发射率方面的比较。

为深入理解光与纤维素的相互作用，研究团队通过FDTD模拟基于Mie散射理论计算了HCPM的散射效率。图4显示，不同表面活性剂制备的HCPM在颗粒尺寸和波长范围内表现出独特的各向异性散射模式。近电磁场分布模拟进一步证实HCPM以强背向散射为主，而纯纤维素则以前向散射为主。提出的散射机制包括纳米孔隙的强散射、梯度折射率界面引发的全内反射，以及多级Mie散射共同作用，形成了光子的“随机行走”效应，显著延长了光程。

图4：超白色纤维素的散射机制 （A）MCC与HCPM的折射率；（B）MCC与HCPM的偏光显微镜图像；（C–F）基于Mie散射理论的HCPM散射效率模拟；（G）不同波长下HCPM的散射效率；（H）纯MCC与HCPM在600 nm波长下的近电磁场分布；（I）HCPM的散射机制示意图。

在实际应用方面，图5展示了HCPM的白天辐射冷却性能。理论计算显示其净冷却功率超过100 W/m²，户外实测中实现了低于环境温度6°C的冷却效果。红外图像显示，覆盖HCPM的皮肤表面温度显著低于环境和皮肤温度，显示出优异的实际热调控功能。此外，HCPM还表现出良好的紫外稳定性和环境耐久性。

图5：HCPM的理论与实测白天辐射冷却性能 （A）HCPM的理论白天冷却功率；（B）测试装置示意图与光学图像；（C）HCPM的辐射冷却机制；（D）HCPM的户外实地测试；（E）HCPM户外红外图像。

图6进一步评估了HCPM在全球建筑节能方面的潜力。在北京、上海、新加坡等城市，HCPM涂层可使冷却能耗降低最高达28.29%，碳排放减少1011.5公斤。全球地图显示，中低纬度地区节能效果尤为显著，平均节能效率约25%，表明HCPM在缓解夏季高能耗问题上具有广泛应用前景。

图6：HCPM的节能与碳减排性能 （A）HCPM在北京、上海、香港、新加坡和罗马的冷却节能与碳减排性能；（B）全球冷却节能地图；（C）HCPM在莫斯科、旧金山、洛杉矶、伦敦和柏林的节能与碳减排性能。

最后，图7展示了HCPM的可扩展生产和多样化应用。通过简单的水分散和球磨工艺，可实现大规模连续生产，并成功制备出大尺寸样品。HCPM还可作为光学改性剂，用于制备复合薄膜、气凝胶和涂料，扩展其在被动冷却领域的应用。雷达图显示HCPM在可加工性、成本、可持续性、可扩展性、冷却效率和反射率方面均优于传统冷却材料。生物降解性测试也表明HCPM环境友好，优于Al₂O₃和BaSO₄等传统材料。

图7：HCPM的可扩展性、应用与生物降解性 （A）超白色纤维素的可扩展制备方案；（B）超白色纤维素的大规模制备演示；（C）HCPM作为光学改性剂用于制备复合薄膜、复合气凝胶和复合涂料；（D）HCPM与传统冷却材料在可加工性、成本、可持续性、可扩展性、冷却效率和反射率方面的雷达图对比；（E）HCPM、Al₂O₃和BaSO₄的生物降解性对比。

总之，这项研究通过简单的球磨策略成功将天然纤维素转化为高性能超白色光子材料，不仅实现了创纪录的光学性能，还为可持续光学超材料的规模化生产提供了可行路径。未来，这种材料有望在建筑节能、户外热管理和环境友好型光学产品中发挥重要作用，推动能源与环境领域的创新发展。