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被动辐射冷却（Passive radiative cooling）是一种可持续冷却技术，在节能领域展现出巨大潜力。然而，同时实现太阳能反射率和红外发射率均超过95%的性能，受到高效微纳结构工艺技术的缺乏以及光子设计在成本高和环境问题方面的短板的阻碍。受白甲虫（white beetle）结构关系的启发，本研究通过精细调控冰模板法（ice-templating process）的动力学，提出了一种具有双波段（太阳光和红外）高反射/发射性能的新型冷却纤维素气凝胶（Novel cooling cellulose aerogel, MCA）。该材料通过引入吸湿性金属-有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOF）作为冰晶成核改性剂（调制纤维素、水和MOF之间的相互作用），构建了由纳米颗粒、纳米/微米纤维网络和双级孔结构组成的异质光子散射拓扑结构，再现了白甲虫的随机和各向异性光学散射机制。在MOF水化作用驱动的二元纳米纤维素悬浮液异相成核过程中，纳米纤维和纳米颗粒通过氢键和静电相互作用形成异质结构且相互连接的微/纳网络。与传统孔结构相比，仿生MCA表现出双波段高性能：太阳能反射率为0.958，红外发射率为0.95，从而在户外阳光直射下实现了白天低于环境温度7.1°C的冷却效果。同时，生命周期评估（Life cycle assessment, LCA）表明，MCA的制备过程环境影响极低，对绿色生产和制造至关重要。通过证明其在中国可实现40%的年冷却节能，本工作为开发高性能、可持续的冷却材料铺平了道路。
论文解读：
研究背景与问题
被动白天辐射冷却（Passive daytime radiative cooling, PDRC）技术通过高反射太阳光并经由大气红外透明窗口（8–13 μm波段）以电磁波（红外辐射）形式将热量耗散到寒冷宇宙空间，是一种无需额外能源消耗的可持续被动冷却技术。理想的日间辐射冷却材料应具备高太阳光反射率（>0.9）和高红外发射率。然而，同时实现两者均超过95%的高光学性能极具挑战，主要受限于太阳能反射率与红外发射率之间的权衡关系，尤其是在传统聚合物基辐射冷却材料中。此外，高效微纳结构加工技术的缺乏，以及现有光子结构设计存在的高成本和环境问题，也制约了其发展。因此，开发一种有效的方法来制备在双波段均具有高光学性能的日间辐射冷却材料是迫切需求。
研究动机与目标
本研究旨在解决上述挑战，开发一种高性能、可持续的被动辐射冷却材料。研究灵感来源于自然界中能够在极热环境中生存的白甲虫，其体表独特的无序几丁质纤维微观结构能够高效反射特定波长的光并在中红外波段表现出高发射率。研究人员希望模仿这种结构逻辑，结合纤维素（可再生、低热导率）和金属-有机框架（MOF，吸湿性）的功能优势，通过一种有效且简便的方法，构建具有理想微纳结构的纤维素基气凝胶，以实现卓越的辐射冷却性能。
主要技术方法概述
研究人员主要运用了材料合成、结构构建与性能表征相结合的方法体系。首先，合成了吸湿性MOF-801。随后，以纳米纤化纤维素（Nanofibrillated cellulose, NFC）和纤维素纳米晶体（Cellulose nanocrystals, CNC）为基体，通过甲基三甲氧基硅烷（Methyltrimethoxysilane, MTMS）交联，并引入不同质量（10、25、50 mg）的MOF-801，制备了前驱体悬浮液。关键步骤是采用定向冷冻铸造（Directional freeze-casting）工艺，利用MOF的水化作用调控冰晶成核与生长动力学，随后经冷冻干燥获得具有分级结构的仿生冷却纤维素气凝胶（MCA）。表征技术包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、Zeta电位分析、紫外-可见-近红外分光光度计（测量太阳能反射率）、傅里叶变换红外光谱仪（测量红外发射率）等。冷却性能通过理论冷却功率计算、室内模拟太阳光测试和户外实地测试（使用自制保温箱和红外热像仪）进行评估。此外，还进行了有限差分时域法（FDTD）和密度泛函理论（DFT）模拟以探究光学散射和结构形成机制，并利用EnergyPlus软件进行了建筑能耗模拟以及生命周期评估（LCA）。
研究结果
3.1. 仿生设计理念与纤维素冷却气凝胶的光学性能
研究人员受白甲虫结构启发，提出了一种由纳米颗粒、微米纤维到大孔构成的分级散射网络。该结构通过折射率不匹配在多个固-气界面产生强散射。FDTD模拟证实，这种仿生结构比传统孔结构具有更高的整体散射效率。光学测试表明，MCA 25（含25 mg MOF）展现出高达0.958的太阳能反射率和0.95的红外发射率，显著高于纯纳米纤维素气凝胶（NCA）。与传统的日间辐射冷却材料和木材基冷却材料相比，MCA在冷却效率、可持续性和可扩展性方面表现出综合优势。
3.2. MCA与传统气凝胶的微观结构及制备过程
通过引入吸湿性MOF-801调控冰模板过程中的冰晶生长动力学，是形成分级结构的关键。MOF因其吸湿性会吸附水分子（包含部分纳米纤维素悬浮液），延迟冰晶成核过程，促使纳米纤维素与MOF紧密接触并自组装形成纤维-颗粒复合体。SEM观察显示，纯NCA呈现方向规则的孔结构（20–50 μm），而MCA 10开始出现更大且结构化的多孔形态。MCA 25形成了纳米颗粒锚定在纤维素纤维上的、从纳米到微米再到宏观孔的分级网络结构，成功复现了白甲虫的形态。而MOF含量过高（MCA 50）则会导致孔结构过大且互连性丧失。能量色散X射线谱（EDX） mapping证实了纤维素、MTMS和MOF各组分的均匀分布。MCA 25的孔/颗粒尺寸分布（从300 nm到30 μm）使其能够强烈散射整个太阳光谱区域（0.3–2.5 μm）的光。
3.3. MCA结构形成机制探究
DFT计算揭示了各组分间的相互作用能：MOF与水之间的结合能（-0.32 eV）高于纤维素与MOF之间的相互作用能（-0.18 eV），表明MOF对水分子有强吸附作用，这有利于在MOF周围诱导异相冰成核。XPS分析在MCA 25中检测到Zr元素，且C/O比率增加，表明纤维素与MOF之间可能存在氢键和共价键网络。Zeta电位和FT-IR分析进一步证实，MOF的加入通过氢键作用调控了体系中组分的相互作用和分散状态。XRD显示MOF的加入使纤维素（002）峰向低角度移动，表明MOF纳米粒子被限制在纳米纤维素结构中。最终的结构是由纳米纤维素与MTMS交联的三维网络，以及MOF与纳米纤维素之间强的氢键/范德华力相互作用共同编织而成的分级拓扑网络。
3.4. MCA的辐射冷却性能
性能优化表明，MOF添加量为25 mg时，MCA 25的光学性能和机械完整性达到最佳。理论冷却功率计算显示，在零温差条件下，MCA 25可实现约100 W/m2的净冷却功率，高于NCA（约80 W/m2）。即使在8 W/(m2·K)的对流系数下，MCA 25仍能保持约8°C的冷却效果。室内红外热成像表明，在模拟太阳光照射5分钟后，MCA 25的表面温度低于NCA。户外实测（中国南京）表明，在不同湿度和高太阳光强度条件下，MCA 25在白天可实现低于环境温度4.2°C至7.1°C的亚环境冷却。其卓越性能归因于：（1）分级折射率和丰富孔隙诱导的强米氏散射；（2）纤维素基质中C–C和C–O–C键促进的分子振动辐射；（3）MOF-801的加入增强了复合气凝胶的后向散射能力。
3.5. MCA的能效
基于优异的光学性能和隔热的多孔结构，MCA可作为隔热辐射冷却器用于建筑节能。利用EnergyPlus对一基准建筑模型（覆盖1 cm厚MCA 25涂层的建筑）进行能耗模拟。结果显示，在中国，使用MCA 25涂层的建筑平均可减少约43.5%（约1000 kW·h）的制冷能耗，在夏季高温、人口密集的东南沿海省份（如香港、澳门、台湾、海南、广东、云南）节能效果更为显著，最高年制冷节能可达约1500 kW·h。同时，二氧化碳排放也相应减少。
3.6. MCA的环境影响与生物降解性
紫外加速老化测试表明，MCA 25在150天的UV暴露后颜色和太阳能反射率保持良好，且红外发射率保持在0.95，表现出优异的抗紫外性能。力学测试显示，适量MOF（MCA 25）可提高气凝胶的压缩模量。生物降解性测试中，MCA在埋入土壤21天后完全降解，而传统的聚乙烯（PE）泡沫和可发性聚苯乙烯（EPS）泡沫则保持不变。此外，MCA可通过冷冻铸造工艺轻松制备大尺寸样品（20 cm × 20 cm），显示出良好的可扩展性。生命周期评估（LCA）结果表明，与石油基塑料和泡沫相比，MCA 25在酸化、气候变化、生态毒性、富营养化、能源资源、人体毒性等多种环境影响类别中的影响值低60%–90%，环境性能显著更优。
总结与讨论
本项研究成功地受自然启发，开发了一种具有分级散射网络的新型冷却纤维素气凝胶。其核心创新在于利用MOF的水化作用精细调控冰模板过程动力学，从而自组装构建出异质互连的微纳网络结构。该结构通过多重散射机制实现了极高的太阳光反射率和红外发射率，最终在户外实测中取得了显著的亚环境冷却效果。研究不仅通过系统的模拟（DFT, FDTD）和实验表征阐明了材料的结构-性能关系与形成机制，还通过能耗模拟和LCA评估，全面论证了该材料在建筑节能和环境保护方面的巨大应用潜力和可持续性优势。这项工作为设计下一代高性能、环境友好的被动辐射冷却材料提供了新的思路和切实可行的方案。
研究结论翻译：
总之，受白甲虫结构关系的启发，本研究通过精细调控冰模板过程中的动力学，提出了一种具有从纳米颗粒到微米纤维再到宏观孔的分级散射网络的新型冷却纤维素气凝胶（MCA）。在MOF水化诱导的二元纳米纤维素悬浮液异相成核驱动下，纳米纤维和纳米颗粒重新排列并组装成一种分级且相互连接的微/纳网络，从而实现了强大的光子散射能力。DFT和FDTD模拟表明，这种异质结构归因于MOF和纤维素之间以氢键和范德华相互作用为主导的适度界面相互作用，这可以诱导冷冻过程中的异相成冰。与传统孔结构相比，仿生MCA表现出双波段高性能：太阳能反射率为0.958，红外发射率为0.95，从而在户外阳光直射下实现了白天低于环境温度7.1°C的冷却效果。具体而言，这种新型材料表现出良好的抗紫外性、良好的生物降解性和低环境影响。EnergyPlus模拟表明，MCA在中国每年可节省超过40%的制冷能耗，凸显了其节能功能。
