郑州大学申长雨院士、刘春太教授团队：PLA冷却超薄膜可降低建筑能耗20%

近日，中国郑州大学申长雨院士、刘春太教授、刘宪虎教授团队和南澳大利亚大学马军教授团队合作，通过调控PLLA（左旋聚乳酸）与PDLA（右旋聚乳酸）的立体复合结晶，在分子尺度构建了高完整性晶体网络，最终获得集超高反射率（98.7%）、优异热发射率（96.6%）和超低热导率（0.049 W m-1 K-1）于一体的新型生物塑料冷却超薄膜（Bioplastic Cooling Metafilm, BPCM）。

这种生物塑料冷却超薄膜可应用于建筑物、设备和其他表面，在阳光最强时可被动降温高达9.2°C，并反射近99%的太阳光线。在世界上一些最炎热的城市，每年可减少高达20%的建筑能耗。

“与传统的冷却技术不同，这种超薄膜不需要电力或机械系统，”刘宪虎说，“现有的大多数被动辐射冷却系统依赖于石化基聚合物或陶瓷，这引发了环境问题。通过使用可生物降解的 PLA，我们提供了一种绿色替代方案，它具有高太阳反射率、强大的热辐射、可持续性和耐用性。”

“这不仅仅是实验室规模的成功”，马军表示，“我们的薄膜具有可扩展性、耐用性和完全可降解性”。“这项研究旨在通过减少对化石燃料的依赖，探索在最大程度降低环境影响的同时提高人类舒适度的可行途径，为可持续发展做出贡献。”

这项发现解决了该领域的一个重大挑战：如何将高性能制冷与环保降解相结合。

研究人员目前正在探索大规模生产机会以及在建筑、交通、农业、电子和生物医学领域（包括冷却伤口敷料）的潜在应用。

6月24日，相关工作以'A structural bioplastic metafilm for durable passive radiative cooling"为题，发表于《Cell Reports Physical Science》。

图文介绍

研究团队主要采用三项关键技术：1）通过低温两步相分离（LTPS）调控微观结构自组装；2）利用流变学测试和广角X射线衍射（WAXD）分析结晶行为；3）结合有限差分时域（FDTD）模拟优化光学性能。户外实测在中国郑州（北纬34°78'）和澳大利亚阿德莱德（南纬34°52'）两地完成。

制造工艺与结构调控

通过对比室温相分离（RPS）、低温相分离（LPS）和LTPS三种工艺，发现LTPS处理的PLLA/PDLA（3:1）样品形成最均匀的双连续网状结构（平均孔径1.61μm）。冷处理12小时的前驱体溶液呈现独特的"链缠结增强"现象，促进SCs形成（结晶度达29.7%），熔点提升至218.5°C。

光学性能与节能模拟

双连续结构引发米氏散射共振效应，使太阳光反射率较传统工艺提升2%。FDTD模拟证实0.5-4μm孔径范围对光散射最有效。建筑能耗模拟显示，该材料在拉萨等城市可降低20.3%年度制冷能耗。

冷却性能测试

在中国郑州的户外测试中，BPCM实现日均降温4.9°C（日间最高9.2°C），冷却功率达136 W m-2。夜间降温效果更显著（5.1°C），归因于84.6%孔隙率带来的绝热性能。

耐久性验证

经过pH=1强酸浸泡120小时和8个月等效UV老化后，SCs结晶度增至34.6%，维持5-6.5°C降温能力。水接触角仅从105°轻微下降，保持疏水性。

这项研究的意义在于：首次通过结晶工程策略解决了生物基PRC材料的"耐久性-可降解性"悖论。所开发的BPCM不仅性能超越传统石油基材料，其完全可降解特性更符合碳中和需求。特别是SCs晶体的引入，为调控生物塑料的微结构-性能关系提供了新思路。该成果有望推动下一代可持续冷却材料在建筑、农业等领域的应用，对缓解城市热岛效应具有重要价值。