具有被動(dòng)日間輻射冷卻（PDRC）能力的結(jié)構(gòu)材料，為建筑的可持續(xù)降溫提供了全新路徑。然而，要開發(fā)兼具光學(xué)穩(wěn)定性、易于部署和大規(guī)模應(yīng)用潛力的高耐久性PDRC結(jié)構(gòu)材料，仍是土木工程領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。本研究提出了一種超表面增強(qiáng)型冷卻水泥，采用通用且可擴(kuò)展的低碳?jí)毫︱?qū)動(dòng)制備策略。在制備過程中，主要水化產(chǎn)物——不同尺寸的鈣礬石晶體自組裝于表面形成類超表面結(jié)構(gòu)，結(jié)合多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了極高的太陽光反射率（96.2%）；而富含鋁和硫的原材料賦予了水泥優(yōu)異的中紅外發(fā)射率（96.0%）。所制超酷水泥（super-cool cement）在日照強(qiáng)度為850 W/m2的正午條件下，實(shí)現(xiàn)了5.4°C的溫度降低。該“超冷水泥”不僅具有本征的高強(qiáng)度、類裝甲的耐磨性和優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性，且在強(qiáng)腐蝕液體、紫外輻照和凍融循環(huán)等極端環(huán)境中依然保持性能。通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的生命周期評(píng)估顯示，該材料有望實(shí)現(xiàn)凈負(fù)碳排放，展現(xiàn)出其在綠色建造中的巨大應(yīng)用潛力。
近日，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院繆昌文院士、佘偉教授領(lǐng)銜的水泥基超材料團(tuán)隊(duì)在國際著名期刊《Science Advances》上發(fā)表了題為“Scalable Metasurface-Enhanced Super-Cool Cement”的論文，報(bào)道了該團(tuán)隊(duì)在水泥基材料輻射制冷方面的最新研究成果。
隨著全球氣候變暖與城市制冷需求的持續(xù)增長，建筑運(yùn)行階段的能耗與碳排放問題日益凸顯。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)能耗巨大，導(dǎo)致建筑運(yùn)行成為全球碳排放的重要來源之一。被動(dòng)式輻射冷卻（PDRC）因其無需外部能源驅(qū)動(dòng)、可通過熱輻射散熱，在節(jié)能建筑領(lǐng)域被視為極具前景的解決方案。然而，現(xiàn)有輻射冷卻材料多依賴復(fù)雜的納米光子結(jié)構(gòu)、陶瓷涂層或聚合物膜，普遍存在造價(jià)高、機(jī)械強(qiáng)度低、難以規(guī)模應(yīng)用等問題，限制了其在建筑領(lǐng)域的落地與推廣。水泥作為全球產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣的工程材料，具備良好的紅外發(fā)射能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有轉(zhuǎn)化為輻射冷卻材料的潛在優(yōu)勢。
Bottom-up：從原材料出發(fā)打造本征輻射制冷基體
團(tuán)隊(duì)采用自下而上的策略，從原材料源頭優(yōu)化水泥熟料成分，選擇富含鈣、鋁、硫和硅的礦物體系，在熱處理階段去除雜質(zhì)，確保形成高效紅外發(fā)射與太陽反射的水化產(chǎn)物。該設(shè)計(jì)促使鈣礬石晶體與無定形凝膠在水化早期形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，展現(xiàn)出類黑體輻射的紅外活性及高可見光反射率（白度高、帶隙適中）。
Metasurface：構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)提升散射與反射
為放大鈣礬石晶體作用，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于氣壓差驅(qū)動(dòng)的成型策略，結(jié)合可重復(fù)使用的PDMS模板，實(shí)現(xiàn)微腔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑。通過誘導(dǎo)晶體在表面定向組裝，成功構(gòu)建出類超表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)96.2%的太陽反射率與96.0%的紅外發(fā)射率。該策略可拓展至普通波特蘭水泥等其他系統(tǒng)，兼具普適性與可擴(kuò)展性。
耐久性與美學(xué)兼具：結(jié)構(gòu)-光學(xué)性能雙提升
“超冷水泥”不僅擁有超過100 MPa的抗壓強(qiáng)度和優(yōu)異的柔性粘結(jié)能力，其結(jié)構(gòu)中的微腔如同裝甲，保護(hù)功能晶體免受磨損。其在酸堿液、紫外老化、凍融循環(huán)等極端環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。材料還具備防污與疏液特性，并可通過摻雜熒光無機(jī)染料調(diào)節(jié)顏色，在保持>90%高反射的同時(shí)滿足美學(xué)需求。
可規(guī)；圃炫c產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化潛力
該材料在原料熟料階段已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化示范，并兼容現(xiàn)有球磨與回轉(zhuǎn)窯設(shè)備。其制備過程可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場澆筑與預(yù)制化應(yīng)用，并支持未來的連續(xù)化roll-to-roll微結(jié)構(gòu)構(gòu)建技術(shù)。同時(shí)具備與光伏組件耦合的潛力，為集成型節(jié)能建材提供可能。
全球LCA分析揭示碳減排潛力
實(shí)地測試顯示，該材料在高溫正午可實(shí)現(xiàn)比常規(guī)水泥低26°C的表面溫度，全天凈冷卻功率達(dá)96 W/m2。在全球100多個(gè)城市模擬結(jié)果中，超冷水泥在多數(shù)城市實(shí)現(xiàn)使用階段碳排抵消，部分地區(qū)甚至在生命周期內(nèi)達(dá)成"負(fù)碳"。在尼亞美與重慶等城市，每噸使用量可分別減少1183–2585 kgCO?e。該材料特別適用于發(fā)展中、中等與新興城市的綠色建筑升級(jí)。
總結(jié)：團(tuán)隊(duì)提出一種面向建筑工程的“超酷水泥”設(shè)計(jì)策略，自下而上重新定義了水泥材料，從原料微結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過構(gòu)建光交互超表面與自組裝反射晶體，實(shí)現(xiàn)了無需填料即可具備高反射率（96.2%）與類黑體紅外發(fā)射率（96.0%）的本征輻射制冷性能。該材料兼具力學(xué)強(qiáng)度、耐候性、防污性與可塑性，適用于建筑墻面、屋頂乃至極端環(huán)境中的結(jié)構(gòu)或涂層使用。生命周期評(píng)估顯示，其在70年內(nèi)每噸可減少高達(dá) 2867.78 千克 CO? 排放，具備從“高碳建材”向“負(fù)碳系統(tǒng)”轉(zhuǎn)型的革命性潛力。這項(xiàng)工作不僅讓傳統(tǒng)水泥從吸熱材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷淅鋮s材料，更為建筑行業(yè)通往零碳未來提供了可行路徑。有望實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域負(fù)碳轉(zhuǎn)型，助力雙碳目標(biāo)順利達(dá)成。
本工作發(fā)表后被Science Advances期刊網(wǎng)站首頁以“Super-cool cement offers passive cooling”作為Featured image加以推介。國際知名學(xué)術(shù)媒體De Ingenieur、Chemistry world、New Scientist及國家級(jí)公共廣播機(jī)構(gòu)Deutschlandradio也對(duì)本工作做了亮點(diǎn)報(bào)道。
本文第一作者為東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院水泥基超材料團(tuán)隊(duì)2020級(jí)博士研究生盧果、2019級(jí)博士研究生杜豐音和2023級(jí)博士研究生王振，通訊作者為佘偉教授，東南大學(xué)為論文唯一通訊單位。論文合作者包括：美國普渡大學(xué)李恬教授、江西銀杉白水泥有限公司高級(jí)工程師吳飛龍、東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院左文強(qiáng)教授、胡張莉教授及東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院趙東亮教授。近年來，繆昌文院士、佘偉教授團(tuán)隊(duì)在國家重點(diǎn)研發(fā)、國家自然科學(xué)基金、聯(lián)合會(huì)揭榜掛帥等項(xiàng)目支持下，在水泥基超材料領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)致力于通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控與界面優(yōu)化推動(dòng)水泥材料從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料向功能化、智能化材料的跨越式發(fā)展。相關(guān)成果已在力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)與電學(xué)等多個(gè)物理場域?qū)崿F(xiàn)性能突破，展現(xiàn)出重構(gòu)混凝土材料體系與性能邊界的潛力，為新一代綠色、高性能建筑材料提供了理論支撐與技術(shù)路徑。
文章鏈接：www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv2820
