保持室内温度适宜至关重要，特别是在那些昼夜温差超过20 °C的干旱地区。这种温差主要是由于白天强烈的太阳辐射和夜间快速的热量散失造成的。尽管传统的主动式加热和冷却系统能够调节室内温度，但它们往往伴随着高的能源消耗，尤其是在白天需要大量电力进行冷却，夜间则需要电力来加热。因此，开发出既节能又能平衡温度波动的热管理策略显得尤为关键。被动式天空辐射冷却技术，作为一种利用外太空的低温来促进热量交换的节能技术，已经引起了人们的极大关注。在光学薄膜、光子晶体和超材料等领域的最新进展，极大地提高了大气窗口的辐射率，从而实现了显著的日间冷却效果。然而，尽管辐射冷却技术在满足日间冷却需求方面表现出色，但它在寒冷的夜晚会加剧热量的损失，且无法满足供暖需求，因此往往需要额外的高能耗供暖系统来辅助。
本文总结了上海交通大学许嘉兴助理教授，四川大学赵海波教授，美国芝加哥大学徐伯均教授，南京大学朱嘉教授，苏州大学黄程教授，韩国大邱庆北科学技术院Bong Hoon Kim教授等课题组的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。
目前，人们尚未拥有一种能够仅利用天空辐射能量，而无需依赖其他能源来源，进而自适应地提供冷热的有效策略。在干旱地区，由于强烈的太阳辐射，白天的被动式加热效果尤为显著。因此，如何在寒冷情况下智能切换太阳能加热，以及在炎热情况下的辐射冷却，已经成为近期关注的焦点。
鉴于此，上海交通大学许嘉兴助理教授在Nano Research Energy上发表了题为 “Passive isothermal film enabled by synergistic sky radiation energy harvesting and storage” 的最新评论。
本文要点：
1. 在这篇文章中，作者提出主动式加热、冷却和通风系统所消耗的大量能源对实现可持续发展构成了严峻挑战。
2. 这些传统系统主要依赖电力，不仅加剧了环境压力，还导致了能源成本的上升。被动辐射冷却和太阳能加热作为替代方案显示出巨大潜力，但它们往往受限于能源供需之间的时空不匹配，尤其是在昼夜温差极大的干旱地区。
3. 最近，《自然 通讯》杂志上发表的一篇论文中，Kim等人介绍了一种创新的自切换被动恒温膜，该膜由辐射冷却和太阳能加热共同驱动，并集成了吸湿热能储存和基于盐溶解的冷能储存技术。
4. 这种创新设计能够在极端气候条件下实现全天候的温度调控，为建筑节能领域提供了一个极具吸引力的解决方案。
Yin B, Xiong Z, Chen H, et al. Passive isothermal film enabled by synergistic sky radiation energy harvesting and storage. Nano Research Energy, 2024, https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120145.
维持舒适环境的能源消耗占总能源消耗的很大一部分，特别是在发达地区，它超过了累计消耗的40%。鉴于这些情况，实现节能冷却的紧迫性就更大了。相对于主动冷却方法，如空调，被动辐射冷却技术提出了一个潜在的可持续的替代方案。这种方法利用了将内部热量辐射到较冷的外部环境的能力，同时反射太阳辐射，所有这些都不需要外部能量输入，使冷却能够自我维持。虽然传统的冷却材料——包括多层光子结构、纳米复合材料薄膜、聚合物材料和混合光学超材料——已经证明了持续的冷却能力，但它们仍然在努力解决太阳能吸收的问题。在白天的辐射冷却领域，轻微的阳光吸收可导致室内温度升高，降低冷却效率。Xue等人通过加入无机荧光微粒，在提高太阳反射率和降低辐射冷却材料的太阳吸收量方面取得了进展。他们的工作证明了通过荧光将紫外线(UV)转化为可见光(VIS)来提高冷却效率的可行性。不幸的是，无机粒子的脆弱的非本征光致发光特性和较差的相容性严重限制了辐射冷却材料的太阳反射率、可设计性和可持续性。目前其他旨在提高阳光反射率的策略通常需要设计有序的多孔结构。所设计的材料，如气凝胶，在大规模生产方面遇到障碍，因为它们依赖于超临界或冷冻干燥技术。最近，一种被称为添加剂冷冻铸造的技术已经出现，用于大规模生产精心分层的气凝胶。然而，这些方法依赖于专门的设备，在实现直接的通用可扩展性和根据需要定制的形状方面面临着挑战。
鉴于此，四川大学赵海波教授团队在Science上发表了题为 “A photoluminescent hydrogen-bonded biomass aerogel for sustainable radiative cooling” 的最新研究成果。
本文要点：
1. 在本文中，作者展示了一种天然的光致发光生物质气凝胶，实现了超过100%的太阳反射率，带来了巨大的辐射冷却效应。
2. 该研究的发现取决于明胶(GE)和DNA之间的协同相互作用产生的磷光和荧光特性，从而产生高效的产热辐射到外部环境中。
3. 气凝胶的精细结构和多层结构进一步提高了太阳反射率，使太阳加权反射率达到104.0% (0.4至0.8 μm)。这导致白天的降温效果，使环境温度降低16.0 °C。
4. 此外，这种生物质气凝胶可以通过水焊法大规模高效生产，具有出色的可修复性、可回收性和生物降解性。
5. 该研究发现的生物质光致发光制冷为开发高性能辐射冷却材料提供了一种不同的方法，有可能导致更环保和可持续的进步。
Jian-Wen Ma et al., A photoluminescent hydrogen-bonded biomass aerogel for sustainable radiative cooling. Science 385, 68-74 (2024). https://doi.org/10.1126/science.adn5694.
目前，全球超过一半的人口居住在城市。预计到2050年，全球城市化水平将从2022年的57%增加到68%，这意味着未来会有更多人暴露在城市热岛效应中，面临极端高温带来的风险。因此，采取措施应对城市热岛效应对现代社会至关重要。一种具有前景的方法是使用辐射冷却纺织品来进行人体热管理。这些纺织品通过向外太空发射热量并反射太阳辐射。已经展示了出色的被动辐射冷却性能。然而，这些研究中通常没有考虑到来自地面和城市结构的热量增益。目前，辐射冷却纺织品通常设计为在整个中红外区域（MIR）广泛发射热量，并假设它们有无障碍的天空视野。因此，它们的冷却性能（包括冷却功率和温度降低）通常是针对水平使用情况设计的。然而，一个被服装全部覆盖的站立的的人身上约97%的纺织品是垂直使用的，只有很小一部分（不到3%）是水平的，如帽子、肩部布料和鞋盖。因此，在现实场景中，这些服装的视野中有50%被地面遮挡，而在有建筑物和其他基础设施的城市中，这一比例甚至更高。
鉴于此，美国芝加哥大学徐伯均教授等人在Science上发表了题为“Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands”的最新研究成果。
本文要点：
1. 在这项研究中，作者设计了一种中红外（MIR）光谱选择性的分层纺织品（SSHF），具有2.23的高ATW光谱选择性比和0.85的平均ATW发射率，可以在城市环境中提供显著的冷却效果。
2. SSHF在ATW区域的高发射率使其能够将热量辐射到外太空，而在非ATW区域的高反射率（低吸收率）则尽量减少从周围热的地面或建筑物吸收的热量。它由聚甲基戊烯（PMP）纳米-微米混合纤维层、银纳米线（AgNWs）和羊毛织物组成。表面的PMP纤维在静电纺丝过程中由于溶剂的逐步挥发，具有宽范围的直径分布，从而实现了覆盖整个太阳光谱的宽带散射效率。
3. PMP仅含有C-C（954-1004 cm-1）、-CH2（1176-1241 cm-1）、-CH（862-881 cm-1）和-CH3（931 cm-1）键，因此在ATW范围内表现出高吸收率，是一种很有潜力的选择性发射体。
4. 中间的AgNW层在整个MIR区域具有高反射率，防止城市基础设施的红外线传递到人体。底部的羊毛织物是宽带发射体，通过纺织品和皮肤之间的空气间隙吸收人体皮肤的热辐射，并通过AgNW层进一步将热量传导到顶部的PMP织物。
Ronghui Wu et al., Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands. Science 384, 1203-1212 (2024). https://doi.org/10.1126/science.adl0653.
气候变化是一个日益严重的全球性问题，受大气中温室气体临界水平的影响。因此，迫切需要从大气中清除大量的温室气体，以确保地球的温度保持在安全范围内。在各种清除温室气体的战略中，如直接碳捕获，植树造林被认为是最安全、最有效和最经济的方法之一来吸收大气中的碳。然而，植树造林的实施不应与全球人口获取食物、燃料、饲料和纤维等基本资源的需求相冲突。干旱地区，可通过干旱指数（年平均降水量与潜在蒸散发的比值）小于0.65来定义，大约占地球陆地面积的40%。然而，由于这些地区植被覆盖率较低，因此对全球碳汇的贡献相对较小。因此，增加旱地的植被覆盖率和促进植被生长将有助于提高其碳汇能力，为减缓气候变化提供了重要机遇。
鉴于此，南京大学朱嘉教授等人在Nature Sustainability上发表了题为“A photosynthetically active radiative cooling film”的最新研究成果。
本文要点：
1. 在这项研究中，作者开发了一种定制的光合作用辐射冷却薄膜（PRCF），旨在通过降低环境空气温度和减少水分蒸发，提高炎热干旱地区植物的光合作用，而不需额外能源。
2. 这种薄膜采用三明治结构，可以传输植物生长所需的有效阳光成分，并有效释放中红外线波长范围内的热能。
3. 现场测试显示，该薄膜使空气温度降低了1.9 – 4.6 °C，水分蒸发量减少了2.1% – 31.9%，因此显著增加了植物生物量产量，提高了20% – 370%。
4. 此外，预计在全球干旱地区广泛采用该薄膜将大幅增加碳汇，估计每年可增加2.26 ± 1.43 PgC·yr-1。
5. 因此，这种PRCF有潜力成为植物栽培中传统冷却和节水技术的有效、可扩展和可持续的替代品，有助于实现全球净零碳目标。
Li, J., Jiang, Y., Liu, J. et al. A photosynthetically active radiative cooling film. Nat Sustain 7, 786–795 (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01350-6.
为了实现最佳的制冷效果，光子辐射制冷材料必须在太阳光谱中具有尽可能高的反射率。这种高反射率能够有效减少阳光的吸收，从而降低升温速率并提高制冷效能。现有的辐射制冷研究已满足这些要求，并取得了显著的制冷效果。目前，辐射制冷材料主要分为四大类：天然木材、光子材料、多孔/颗粒聚合物薄膜以及纳米纤维膜。这些材料通过创建非周期性结构来调整反射率。然而，尽管在提高反射率方面取得了进展，仍然存在一些挑战。例如，材料的疏水性、紫外线耐受性、气体透过性和耐热性等性能往往被忽视，而这些性能对辐射制冷至关重要。此外，一些基础技术问题，如薄膜厚度，也制约了辐射制冷技术的广泛应用。
鉴于此，苏州大学黄程教授在Advanced Materials上发表了题为 “Core–Shell Composite Nanofibers with High Temperature Resistance, Hydrophobicity and Breathability for Efficient Daytime Passive Radiative Cooling” 的最新研究成果。
本文要点：
1. 在本研究中，作者引入了一种核壳复合纳米纤维PVDF@PEI，并从破坏对称性的角度出发，设计了一种高效的辐射制冷材料。
2. 作者通过溶剂诱导相分离（EIPS）逆向纺丝法和（聚集）自组装方法（EISA或EIAA），结合共轴静电纺丝（ES），成功制备了具有超共形表面各向异性孔结构的纳米纤维膜。
3. 这些膜材料展现出卓越的热稳定性（可耐高达210 °C）、优异的疏水性（接触角为126 °）、强效的紫外线防护（UV阻挡率超过99%）。
4. 该材料实现了显著的制冷效果，制冷温度达到了8 °C。这种纤维膜的开发不仅在可穿戴设备领域取得了重要进展，也为材料的多功能性开辟了新的研究方向，为未来的研究与创新提供了新的思路。
H. Fan, K. Wang, Y. Ding, Y. Qiang, Z. Yang, H. Xu, M. Li, Z. Xu, C. Huang, Core–Shell Composite Nanofibers with High Temperature Resistance, Hydrophobicity and Breathability for Efficient Daytime Passive Radiative Cooling. Adv. Mater. 2024, 36, 2406987. https://doi.org/10.1002/adma.202406987.
近年来，由于采暖和制冷造成的能源消耗约占全球能源使用的50%，并且带来了诸如全球变暖和空气污染等严重的环境问题。预计由于气候变化和人口增长，采暖和制冷的能源消耗将分别增加约79%和83%。辐射热管理作为一种具有潜力的环保取暖和制冷方法，已引起了广泛关注。辐射热管理利用太阳（约5800 K）作为热源，外太空（约3 K）作为冷源。为了实现热管理，研究者开发了多种表面结构，通过有机/无机材料调控辐射热传递。
鉴于此，韩国大邱庆北科学技术院Bong Hoon Kim教授在Advanced Materials上发表了题为“Reversible Solar Heating and Radiative Cooling Devices via Mechanically Guided Assembly of 3D Macro/Microstructures ”的最新研究成果。
本文要点：
1. 在本文中，作者展示了一种通过机械引导组装3D结构而形成的可逆太阳能取暖和辐射制冷器件。
2. 这些器件具有以下特点：
可逆切换模式：器件能够在单向拉伸应变下实现太阳能取暖和辐射制冷模式之间的可逆切换，称为双模式驱动。
功能层材料选择性高：由于优化的设计，这些3D结构平台可以采用刚性或柔性材料作为功能层。
适用范围广泛：器件可用于宏观和微观尺度上的双模式热管理。
3. 器件采用涂覆黑色油漆的聚酰亚胺（PI）薄膜作为太阳能吸收层，并结合多层薄膜结构（聚二甲基硅氧烷/银/PI薄膜）以实现取暖和制冷。
4. 该器件可实现59.5 °C的取暖温度和-11.9 °C的制冷温度。此外，研究还展示了3D结构角度变化引起的模式切换效果，并探讨了器件在与皮肤、玻璃、钢、铝、铜和PI基底接触时的取暖/制冷性能。
5. 这一研究为实现可逆太阳能取暖和辐射制冷提供了新的解决方案，具有广泛的应用前景。
S. E. Lee, J. Seo, S. Kim, J. H. Park, H. J. Jin, J. Ko, J. H. Kim, H. Kang, J.-T. Kim, H. Lee, B. J. Lee, B. H. Kim, Reversible Solar Heating and Radiative Cooling Devices via Mechanically Guided Assembly of 3D Macro/Microstructures. Adv. Mater. 2024, 36, 2400930. https://doi.org/10.1002/adma.202400930.
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