基于醋酸纤维素的分层式辐射冷却薄膜可防止日光下的冰雪融化

以可持续的方式避免冰雪在日光下融化是十分重要的课题，其涉及到从日常的冷链食品到冰上运动，再到高海拔/高纬度地区的冰山融化等人类生活中的众多领域。据统计，全球可保存的40%的食物（约4亿t）是通过冷链来保存的，而这消耗了全球11%的电力，导致了全球约2.5%的温室气体排放。

在太阳光下，冰的融化与冰系统中能量流的变化息息相关。图1概述了不同纬度下冰的代表性热流。从图中可以看出，太阳辐射（波长0.3~2.5μm）是主要的热负荷，导致了冰温的上升和随之而来的融化。同时，中红外辐射（波长2.5~18μm）是抵消这一趋势的主要能量流。因此，探索一种可持续的途径来平衡该能量流，从而实现阳光下各种冰系统的被动保护，具有重要的现实意义。

近，日间辐射冷却的蓬勃发展为平衡能量流提供了策略。研究人员开发了各种特殊的材料和结构，如多层/图案化的光子结构、基于纳米颗粒/多孔聚合物的薄膜、冷却木材以及超白涂料（太阳反射率大于0.95）。在晴朗的日光里，上述方法的实验冷却功率可以达到40~100 W·m－2，亚环境冷却温度为3~13°C。然而，为了在阳光下保存冰，除了传统的考虑之外，还有几个严格的要求。首先，在实际应用中需要冰的温度要较低，因此，其需要非常高的辐射冷却性能。例如，据计算，将净辐射功率从70 W·m－2增加到110 W·m－2,可以防止冰/冰冻食物的融化，而不需要额外的冷藏装置。此外，出于冰冻保存的特殊要求，辐射冷却材料必须是来源丰富、可量产，并具对环境有较低的影响。

鉴于此，南京大学朱嘉、汪名怀合作开发了一种基于醋酸纤维素（cellulose acetate，CA）的分层式辐射冷却薄膜，该薄膜可量产、生态友好，并且可以在阳光下为各种形式/规模的冰提供有效的被动防护。这项工作为开发有效、可量产、可持续的冰雪保护提供了一种重要途径，并为生态系统中其他关键元素的保存途径提供了灵感。该研究以题为“Protecting ice from melting under sunlight via radiative cooling”的论文发表在《Science Advances》上。

分子的内在振动使CA薄膜具有宽带和高中红外发射率，有利于高性能的大规模冷却。定制的孔隙作为进入的太阳辐射的有效散射中心，赋予了CA薄膜高太阳反射率。因此，分层设计的薄膜能够大限度地减少阳光下冰的热负荷，实现对不同纬度下冰系统的有效被动保护。在生命周期结束时，分层设计的CA薄膜可以被自然界的微生物所消化，并被分解成CA。分层设计的CA薄膜的原料来自天然纤维素，广泛存在于植物的细胞膜内，可以从天然植物的细胞胚胎中获得。

图2 多孔CA膜的分层设计和生命周期

研究人员通过分层设计实现了CA薄膜的理想光学特性，并测量了该分层设计的CA薄膜的冷却温度和冷却功率。冷却温度被定义为薄膜从环境温度中的温度降低值。在阳光直射下，分层设计的CA膜实现了高达110 W·m－2的冷却功率和12℃左右的冷却温度，这证实了该分层设计的CA膜具有良好的辐射冷却能力。