文献前沿| ACS Nano：水分子辅助压力组装定向氮化硼/海藻酸钠复合材料实现高性能被动辐射制冷

现代电子设备的不断小型化和不断增加的功率密度导致了严重的局部热积聚，对设备性能、可靠性和寿命提出了重大挑战。被动辐射冷却为热管理提供了一种有前途的、无能耗的解决方案。然而，大多数报道的辐射冷却材料都是机械脆弱的薄膜，缺乏与电子设备长期集成所需的结构稳定性。受天然珍珠层结构的砖和砂浆建筑的启发，我们报道了一种结合了高效辐射冷却和高机械强度的仿珍珠质块体氮化硼（BN）复合材料。该复合材料通过压力驱动，水分子辅助的取向和界面耦合策略，其中海藻酸钠（SA）辅助的BN分散和Ca²⁺离子交联能够在层压热压期间实现高度有序的BN纳米片排列和强界面结合，形成珍珠层BN-SA复合材料的弯曲强度为78.3MPa，断裂韧性为2.48MPa·m1/2，同时具有出色的光学性能，包括高太阳反射率（R = 89.7%）和中红外发射率（84.5%）。因此，净辐射冷却功率在夜间达到140.1 W·m−2，这项工作提供了一种生物启发的策略，用于构建机械坚固的辐射冷却材料，为高热通量电子设备的热管理提供了可行的解决方案。相关工作以High-Performance Passive Radiative Cooling Enabled by Oriented Boron Nitride/Sodium Alginate Composites with Water Molecule Assisted Pressure Assembly为题发表在ACS NANO期刊上。

本文针对现代电子器件小型化与高功率密度引发的局部热积聚问题，从天然珍珠母的“砖-泥”层状结构出发，设计了如图1a所示的仿珍珠母氮化硼/海藻酸钠（BN-SA-Ca²⁺）块体复合材料。该材料通过水分子辅助取向与压力驱动界面耦合策略制备：先利用海藻酸钠对BN纳米片进行表面改性，再经Ca²⁺离子交联形成水凝胶网络，最后通过层叠预压与热压实现BN纳米片的定向排列与强界面结合（图1b）。EDS Mapping证实了N、B、O、C、Ca元素的均匀分布（图1c），SEM图像清晰展示了高度有序的层状结构（图1e-1f）。力学测试表明，该块体材料的弯曲强度达78.3 MPa，断裂韧性达2.48 MPa·m¹/²，分别为纯BN块体的21.75倍和BN-SA块体的1.75倍，其增韧机制源于裂纹偏转、裂纹桥接及BN纳米片拔出等多重效应（图2）。该材料还展现出优异的极端环境稳定性，在100 mM HCl、100 mM NaOH、液氮（-196 °C）及沸水（100 °C）中浸泡后结构保持完整（图3）。光学表征显示，其太阳反射率达89.7%，大气窗口发射率达84.5%（图4g），夜间净辐射冷却功率高达140.1 W·m⁻²（图4j）。户外测试中，该复合材料在1421 W·m⁻²的太阳辐照下实现了12.5 °C的最大亚环境降温（图5），并在热老化与紫外老化100 h后仍保持优异的光学与力学性能。该工作为高发热电子器件的长期热管理提供了一种兼具高力学强度与高效辐射冷却性能的仿生块体材料解决方案。

图1.基于水分子界面辅助取向和压力驱动界面耦合的本体复合材料的设计和制造。（a）制造过程的示意图：（i）使用海藻酸钠（SA）对氮化硼（BN）纳米片进行超声表面改性;（ii）通过Ca 2 +−SA交联形成水凝胶框架;（iii）逐层堆叠水凝胶，然后在环境压力下压制，其中水分子界面辅助的压力诱导BN重新取向，以及（iv）热压以驱动界面耦合并进一步增强BN的层间有序性。（b）BN-SA-Ca²⁺的相应微观示意图（c）BN−SA− Ca²⁺块体的能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图，显示了均匀的元素分布。（d）BN−SA− Ca²⁺块体复合材料的照片。（e）（d）中橙子框突出显示的区域的SEM图像，显示了明显的层状结构。（f）（e）中蓝色框突出显示的区域的高放大率SEM图像。

图2. BN−SA− Ca²⁺块体复合材料的力学性能和对比分析。（a）通过三点弯曲试验获得的不同块体材料的弯曲应力-应变曲线。（b）块体材料之间的弯曲强度和弯曲模量比较。（c）基准的弯曲强度和模量的散装复合材料在这项工作中开发的代表性层状材料具有类似的结构特征。（d）通过SENB试验测量的块状复合材料的抗裂纹扩展能力。（e）不同块状材料的固有断裂韧性和最大断裂韧性的比较。（f）将断裂韧性和弯曲强度与结构类似的层状材料相结合的综合性能比较。（g）SENB试验后裂纹区域的SEM图像。（h）裂纹偏转行为的SEM表征。（i）高强度的层状材料。图（h）中所示的裂纹区域的放大SEM图像。（j，k）SENB测试后显示裂纹分支和裂纹桥接的SEM图像。（l）在施加载荷下裂纹起始、扩展和延伸的示意图。

图3. BN−SA−Ca2+块体复合材料的多功能应用场景。BN−SA−Ca2+块体在恶劣环境下的应用：（a）浸入100 mM HCl溶液中，（d）浸入100 mM NaOH溶液中，（g）浸入液氮中，和（j）浸入沸水中。（b，c）在100 mM HCl溶液中浸渍前后的本体表面的光学图像。（e，f）在100 mM NaOH溶液中浸渍前后的本体表面的光学图像。（h，i）在浸入液氮之前和之后的体表面的光学图像。（l）在沸水中浸泡之前和之后的散装材料表面的光学图像。（m）不同散装材料的热导率。（n）在加热台上测量的不同散装材料的表面温度。（o）模拟室内太阳辐射下复合材料与传统建筑材料保温性能的比较。

图4. BN-SA-Ca²⁺块体复合材料的光学表征和辐射冷却性能。（a）BN-SA-Ca²⁺块体表面的角度相关反射率。（b）BN-SA-Ca²⁺块体表面BN纳米片的尺寸分布。（c）BN-SA-Ca²⁺块体的折射率。（d）BN-SA-Ca²⁺块体在太阳辐射下的被动冷却机制示意图。（e）尺寸范围为0.02至8 μm的BN纳米片的模拟散射效率。（f）在300、500、1000和1700 nm的入射波长下，BN-SA-Ca²⁺块体内的模拟电场传播。（g）BN-SA-Ca²⁺块体、BN-SA块体和BN块体的光谱反射率和发射率，以及AM 1.5太阳光谱和大气透射窗口。（h）在不同太阳辐照度和大气透射率条件下计算的BN-SA-Ca²⁺块体的辐射冷却功率。（i，j）在不同传热系数（q值）下，白天和夜间BN−SA− Ca²⁺体的计算净辐射冷却功率。

图5. BN-SA-Ca²⁺块体复合材料的室外冷却性能评估和比较。（a）定制室外测试装置的示意图，（b）室外测量期间作为时间函数的真实的实时太阳辐照度。（c）覆盖不同块状复合材料的室和未覆盖的参考室的真实的−时间温度-时间曲线。（e）试验期间风速和相对湿度的真实的实时监测数据。（f）雷达图比较了BN−SA− Ca²⁺块状复合材料与先前报道的辐射冷却材料的辐射冷却性能。

小结：综上所述，成功制备了一种多功能珍珠激发的层状BN− SA− Ca²⁺块体复合材料。海藻酸钠（SA）使BN纳米片有效分散，而Ca²⁺离子与SA的羧基（COO−）配位构建三维网络。基于这种结构，提出了一种结合水分子界面辅助取向和压力驱动界面耦合的两步策略来调节有序BN纳米片的排列，导致韧性的显著增强。此外，BN和SA之间的强界面相互作用，以及在8−13 μm大气窗口内84.5%的高发射率，为有效的辐射冷却提供了基础。所得的BN−SA− Ca²⁺复合材料表现出机械鲁棒性和辐射冷却性能的优异平衡，与现有的BN基珍珠层系统相比，这是一个重大的结构和功能突破。达到了78.3 MPa的高弯曲强度，分别相当于BN-SA块体和原始BN块体的4.67和21.75倍。弹性模量达到10.8 GPa，断裂韧性提高到2.48 MPa·m1/2，是BN−SA块体材料的1.75倍，复合材料在酸性、碱性（100 mM）、液氮等苛刻条件下仍保持良好的稳定性（197°C）和沸水此外，Ca²⁺的掺入使贯穿厚度的热导率增加到4.6 W·m-1·K-1。在辐射冷却方面，BN-SA-Ca²⁺复合材料表现出89.7%的高太阳反射率和84.5%的发射率，提供高达140.1 W·m−2的夜间净辐射冷却功率和超过30 °C的理论冷却潜力。室外测量表明，最大温度比环境温度低12.5 °C。总体而言，这项工作表明，BN-SA-Ca²⁺块体复合材料是户外设备和电子设备长期热管理的有希望的候选材料。

论文信息：Wang, L., Wei, J., Wu, X., Wang, Z., Liu, Y., Tang, J., ... & Fu, Z. (2026). High-Performance Passive Radiative Cooling Enabled by Oriented Boron Nitride/Sodium Alginate Composites with Water Molecule-Assisted Pressure Assembly. ACS nano, 20(33), 23244-23258.

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn，微信：Cunhai_Wang (读者交流群也请添加此微信并注明姓名-单位-空天热辐射交流群).