类型a：学术研究报告

作者及发表信息
本研究由Chenyang Cai（第一作者）、Xiaodan Wu、Fulin Cheng、Chunxiang Ding、Zechang Wei、Xuan Wang及Yu Fu（通讯作者）共同完成。作者团队分别来自南京林业大学（Nanjing Forestry University）材料科学与工程学院、浙江农林大学（Zhejiang A&F University）化学与材料工程学院，以及美国北德克萨斯大学（University of North Texas）机械工程系。研究论文发表于《Advanced Functional Materials》期刊，2024年6月28日在线发表，DOI编号为10.1002/adfm.202405903。

学术背景
该研究属于光学超材料与可持续能源技术交叉领域，聚焦于被动辐射冷却（passive radiative cooling）材料的开发。传统辐射冷却材料（如光子薄膜、超构织物、聚合物泡沫）存在制备工艺复杂、成本高、生物相容性差等问题。纤维素（cellulose）因其可调控的微观形貌、可再生性和生物相容性，被认为是一种潜在的绿色光学超材料（optical metamaterial）候选。然而，纤维素的低折射率（≈1.56）限制了其作为高效散射介质的应用。本研究旨在通过球磨技术（ball milling）对纤维素进行微纳尺度结构重构，开发具有超高太阳光反射率（≈98%）和红外发射率（≈0.97）的纤维素光学超材料（cellulosic optical metamaterial, COM），并揭示其“受限散射”（confined scattering）机制。

研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料与设备：以微晶纤维素（microcrystalline cellulose, MCC，平均粒径50 μm）为原料，通过行星式球磨机（QM-3SPO4）在300 rpm转速下湿法球磨，添加十二烷基硫酸钠（SDS）作为表面活性剂。
- 结构调控：通过调控球磨时间（8 h、12 h、16 h）和剪切动力学（shearing kinetics），诱导纤维素发生塑性变形，形成多级异质拓扑结构（hetero-profiled topology）。
- 规模化生产：单批次产量可达800 mL悬浮液，固体含量5 wt%，并通过喷雾涂覆（spray coating）、冷冻铸造（freeze casting）等技术加工成涂层或气凝胶。

1. 表征与测试

   • 形貌分析：SEM显示球磨16 h后的COM-16呈现纳米褶皱（300 nm–2 μm）和微米级凹凸结构（1–5 μm），比表面积达13.45 m²/g（MCC仅为0.61 m²/g）。TEM和EDX证实其化学结构未受破坏。
     
   • 光学性能：UV-Vis和FTIR测试表明，COM-16在太阳光谱（0.3–2.5 μm）反射率达98%，红外窗口（8–13 μm）发射率为0.97，优于文献报道的TiO₂、SiO₂等材料。
     
   • 模拟验证：COMSOL和FDTD（finite difference time domain）模拟揭示了“受限散射”效应——纳米孔洞（0.5–0.7 μm）和褶皱结构（0.7–2.4 μm）分别增强300–700 nm和700–1500 nm波段的米氏散射（Mie scattering）。
     

2. 应用验证

   • 辐射冷却测试：在南京户外实验中，COM涂层实现日间5.7°C的降温效果，冷却功率（cooling power）模拟显示最大温差可达17.5°C。
     
   • 节能评估：EnergyPlus模拟表明，中国34个城市的建筑屋顶涂覆1 mm厚COM涂层后，年均制冷能耗可降低41%。
     

主要结果
1. 结构-性能关系：球磨时间延长导致纤维素颗粒尺寸减小（60 μm→5 μm）和比表面积增加，多级异质结构通过“纳米受限散射”提升光散射效率。
2. 光学突破：COM-16的反射率（98%）和发射率（0.97）超越光子晶体理论极限，成为首例兼具“可见光超白-红外超黑”特性的生物基材料。
3. 机制创新：COMSOL模拟证实，微纳级结构重构通过增强内部反射和多重散射，实现太阳光的高效反射与红外热辐射。

结论与价值
1. 科学价值：首次通过机械化学法（mechanochemistry）实现纤维素的光学超材料化，为生物基超材料设计提供了新范式。
2. 应用价值：COM涂层可规模化生产，适用于建筑节能、电子设备散热等领域，年节能潜力达469.975 kWh/建筑。
3. 环境意义：全流程绿色工艺避免了传统材料的环境污染问题。

研究亮点
1. 方法创新：将球磨技术从机械加工拓展至光学超材料制备，开发了可调控剪切动力学的结构重构工艺。
2. 性能突破：COM的反射率/发射率组合为已报道生物基材料最高值。
3. 跨学科融合：结合材料科学、光学模拟（FDTD）和能源工程（EnergyPlus），系统性验证了材料-结构-性能-应用的全链条逻辑。

其他价值
研究还展示了COM作为光学改性剂的潜力，例如添加10 wt% COM可使聚氨酯（PU）薄膜从透明变为白色，降低皮肤表面温度，拓展了其在柔性电子领域的应用场景。