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減少人類對空調等高耗電冷卻技術的依賴對重塑全球能源模式至關重要。近日，美國東北大學鄭義教授課題組博士劉楊（現美國圣母大學博士后），通過利用天然淀粉糊化、冷凍干燥和致密化工藝，制造了一種超白冷卻淀粉薄膜，其太陽反射率高達 0.96，紅外發(fā)射率高達 0.94。冷卻淀粉薄膜的多孔結構可由機械壓制工藝控制，可有效反射太陽輻射，同時在大氣透明窗口實現強發(fā)射，從而實現高效的日間輻射冷卻能力。此外，冷卻淀粉薄膜表現出優(yōu)異的機械抗拉強度。超白輻射冷卻淀粉薄膜對優(yōu)化冷卻能源使用具有重要前景，尤其是在炎熱干旱的氣候下。該論文發(fā)表于 Journal of Materials Chemistry A。

圖 1由天然淀粉制備的可持續(xù)輻射冷卻膜及其高效輻射冷卻機制。

研究內容

圖 2展示了冷卻淀粉膜的制備過程。首先，將馬鈴薯淀粉溶解在熱去離子水中，同時進行機械攪拌，直到形成均勻、半透明的淀粉糊溶液。再將糊化的淀粉溶液倒在模具中進行冷凍，再在凍干機中冷凍干燥，形成超白多孔淀粉塊。最后，將多孔白色塊機械壓成堅硬的冷卻淀粉膜。冷卻淀粉膜的多孔結構可實現產生強烈、大角度的太陽光反射。雖然機械按壓降低了冷卻淀粉膜的表面孔隙率（圖3），但該過程可減小冷卻淀粉膜內部孔隙的尺寸并增加其密度，從而增強了可見光范圍內的反射，如圖4所示。致密的冷卻淀粉膜的平均太陽反射率高達96%，凸顯了其優(yōu)異的散射特性。同時，冷卻淀粉膜具有超高的紅外發(fā)射率（約 0.94），可透過大氣透明窗口（8-13 微米）向寒冷的外層空間發(fā)射強烈的紅外輻射。

圖 2冷卻淀粉膜的制備工藝。

圖 3冷卻淀粉膜的表面特性。按壓前淀粉膜的 (a) 底部和 (b) 橫截面的 SEM 圖，以及按壓后淀粉膜的 (c) 底部和 (d) 橫截面的 SEM 圖。

圖 4冷卻淀粉膜的輻射冷卻機理。（a）厚度為 8 毫米的原始淀粉塊和厚度為 0.8 毫米的壓制冷卻淀粉膜的光譜反射率。（b）直鏈淀粉和支鏈淀粉的分子結構示意圖。（c）淀粉的 FTIR 透射光譜。

為了研究冷卻淀粉膜的表面形貌和多孔結構對太陽光反射和紅外熱發(fā)射的影響，我們進一步分析了在不同機械壓力（0 MPa、30 MPa、40 MPa 和 50 MPa）下制備的冷卻淀粉膜的光譜特性，如圖5所示。Starch30MPa表現出最高的太陽光反射率（0.96）。而較高壓力下的Starch40MPa和Starch50MPa的太陽光反射率則隨著機械壓力的增加而降低，分別為0.94和0.92。這是因為適當壓力（30 MPa）的機械按壓可以增加冷卻淀粉膜內部孔隙的密度，可以抵消因按壓而導致表面孔隙減少帶來的不利影響，從而增強對太陽光的反射。但是過高的壓力（如40 MPa和50 MPa）會破壞更多的表面孔隙，明顯降低冷卻淀粉膜的表面孔隙率，導致多孔的冷卻淀粉膜趨向于平面結構，從而降低由孔隙驅動的太陽光散射能力，如圖6所示。此外，圖5b顯示該類淀粉膜在8~13 μm范圍內表現出較高的紅外發(fā)射率。因此，具有適當孔徑和孔隙率的多孔結構可以在高太陽反射和高紅外發(fā)射之間保持高性能平衡，從而有效提高多孔輻射冷卻結構的輻射冷卻極限。

圖 5在不同機械壓力下冷卻淀粉薄膜的光學特性。

圖 6不同壓力下冷卻淀粉膜的SEM 圖。

為了評估冷卻淀粉薄膜的輻射冷卻能力，戶外實驗顯示（圖7），冷卻淀粉膜可實現了平均低于環(huán)境溫度6.8°C 的冷卻性能，在太陽強度為 643 W/m2下，最大溫降為11.3°C 。冷卻淀粉膜在夜間也可實現平均低于環(huán)境溫度2.8°C 的冷卻。同時，輕木板和涂漆木板的平均溫度分別比冷卻淀粉膜高 6.4°C 和 4.7°C。與典型的建筑材料相比，冷卻淀粉膜具有出色的輻射冷卻能力。同時，在糊化過程中，馬鈴薯淀粉吸水膨脹，淀粉分子間的氫鍵斷裂，形成均勻的膠體溶液。當糊化淀粉干燥時，水分逐漸蒸發(fā)，直鏈淀粉和支鏈淀粉分子重新結合。特別是馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉含量較高，通過氫鍵形成緊密而堅固的網絡結構。此外，機械外力按壓薄膜，使冷卻淀粉膜中的孔隙和空隙減少，從而使其更加致密和堅硬，如圖8所示。