近日，中南林业科技大学吴义强院士、何帅明教授与武汉大学陈朝吉教授、北京大学杨荣贵教授提出了一种多级晶体重构与纳米结构集成策略，直接从天然木材中制备出一种高性能、完全可回收的辐射制冷生物质复合材料。该材料实现了416.7 MPa拉伸强度和106 W/m²理论制冷功率，在879W/m²的太阳辐照强度下，白天峰值降温可达8.8摄氏度，超越大多数传统冷却材料。

  2026年4月28日，该研究以《A high-strength radiative cooling biocomposite via hierarchical crystalline nanostructuring》为题发表在《Nature Communications》上。论文第一作者林贤铣，系中南林业科技大学吴义强院士课题组博士研究生，文章共同通讯作者为中南林业科技大学吴义强院士、何帅明教授和武汉大学陈朝吉教授、北京大学杨荣贵教授。

  气候变化与能源消耗的双重危机日益严峻。全球冷却能源需求预计到2050年将增长三倍，温室气体排放量将激增五倍。传统辐射制冷材料虽然能够通过反射太阳光和向寒冷宇宙辐射红外线来实现被动降温，但往往依赖复杂的纳米加工工艺或高能耗的制造过程，且大多基于不可生物降解的石油基聚合物，造成长期环境负担。如何在保持高性能的同时实现环境友好，一直是该领域的核心挑战。

  针对上述难题，研究团队跳出”石油基聚合物依赖“的传统路径，提出一种创新的多级晶体重构与纳米结构集成策略。通过简便的化学预处理与粒子溶液冲击过程，直接从天然木材中大规模制备出具有双相拓扑界面的辐射制冷生物复合材料，实现了力学性能与辐射冷却效率的协同突破。得益于简便可控的制备工艺，该材料有望实现大规模制备，同时可被折叠、卷曲和塑造成各种形状，展现出优异的柔韧性。与传统辐射制冷石油基塑料和辐射制冷生物质材料相比，该符合材料实现了416.7 MPa的拉伸强度和106 W/m²的理论制冷功率，超越了大多数传统辐射制冷材料。

图 1. 辐射制冷生物复合材料制备示意图及性能对比图

  研究团队通过扫描电子显微镜揭示了这种辐射制冷生物质复合材料的独特微观世界。在自密实化木材中，原本疏松的木材细胞壁在空气干燥过程中因毛细作用力发生致密化坍塌，形成了高度致密的层状结构，表面光滑无明显孔隙，这种结构主要源于纤维素分子链间的氢键作用。更为精妙的是，研究团队设计了一种“颗粒溶液冲击”策略——将自密实化木材浸泡在含有二氧化硅和六方氮化硼纳米颗粒及聚乙烯醇的溶液中。这一过程首先破坏了纤维素链间的氢键，导致木材细胞膨胀扩张，纳米颗粒得以通过水作为介质渗透到膨胀的细胞壁和细胞间隙中。随后在空气干燥过程中，弹性毛细作用力使松散的纳米纤维素与纳米颗粒重新形成氢键，构筑出纳米颗粒嵌入致密纤维素骨架的双相拓扑过渡结构。二维时间域核磁共振显示，随着干燥进行，自由水信号逐渐减弱，而T1/T2比值显著增加，表明强氢键网络在纤维素与纳米颗粒之间重新形成，这一现象也得到了拉曼光谱的证实——随着水蒸发，羟基的峰强度降低且峰位向低波数移动。二维广角X射线散射图案显示出四个明亮的赤道方向衍射斑点，分别对应纤维素的(110)和(200)晶面，取向指数高达0.892，结晶度达77.2%，证实了这种高度有序的晶体结构是材料优异力学性能的结构基础。

图2. 冷却生物复合材料的双相拓扑结构表征。

  在光学性能方面，这种辐射制冷生物质复合材料表现出良好的宽谱高太阳反射率，达到94.7%。这一特性来源于纳米颗粒与纤维素基体复合结构在有机-无机界面处通过折射率差异引发的米氏散射效应。与此同时，材料在大气窗口的红外发射率可达90.1%，主要归功于C-O-C和Si-O键的分子振动。理论计算表明，该材料的净冷却功率可达106 W/m²。研究团队在中国长沙进行了实地户外测试。在879 W/m²的太阳辐照强度和72.2%的平均湿度条件下，连续24小时监测显示，复合材料始终维持低于环境温度的状态，白天平均降温7.2℃，峰值降温达到8.8℃。进一步的建筑能耗模拟表明，该材料在全球范围内平均可实现48.5%的冷却能耗节约，在热带和亚热带地区效果尤为显著，最高可达每平方米157焦耳的年节能量。

图3：冷却生物复合材料的光学性能、户外降温测试及全球节能分布

  力学性能测试表明，该材料拉伸强度达416.7 MPa，是天然木材8.6倍，超越大多数辐射制冷材料。分子动力学模拟从分子尺度揭示了增强机理，既高度取向的纤维素骨架在拉伸过程中发生塑性变形和分子链滑移，旋转半径从14.85 nm增加至14.98 nm，有效耗散了拉伸负载应力。同时，纤维素与纳米颗粒之间形成了更丰富的氢键网络，构筑了强健的双相拓扑界面。即使在200兆帕的高应力下循环加载50次，材料的拉伸变形仅为0.2%；在零下20摄氏度至50摄氏度的温度范围内循环加载，变形量也仅为0.3%，展现出卓越的机械稳定性。

图4：冷却生物复合材料的力学性能与力学增强机制

  经疏水改性处理后，材料表面水接触角达到152.2^o，滚动角仅2.3^o，具备优异的自清洁性能。经过机械磨损、高湿环境等老化测试后，材料仍保持良好的光学特性和与环境稳定性。土壤降解实验表明，30天后复合材料降解率超过90%。生命周期评估显示，与传统石油基塑料相比，该复合材料的全球变暖潜能值降低74.3%，资源消耗潜能降低80.5%。研究团队还提出了一种水媒介闭环回收策略，复合材料回收率超过90%。再生材料保留了原始样品97.9%的太阳反射率和75.0%的拉伸强度。

图5：冷却生物复合材料的环境稳定性、土壤降解、生命周期评估及闭环回收策略。

  这项研究建立了一种可规模化、兼具结晶重构与纳米复合集成的制备策略，为制造具有双相拓扑界面的工程化辐射制冷生物质复合材料提供了新路径。通过去除木质素和部分半纤维素，结合水蒸发驱动的纤维素素晶型转变与自组装，研究团队构建了双相纤维素-纳米颗粒界面，实现了超越大多数已报道辐射冷却材料的力学性能，同时通过优化的光子管理实现了高效的亚环境辐射制冷。该材料展现出优异的环境稳定性、可回收性和较低的环境影响，其制备工艺简单、可规模化且成本效益高，支持大规模应用。这项工作为制造环保、可规模化且强韧的辐射制冷生物质复合材料用于节能建筑和智慧农业提供了一条有前景的策略，对实现碳中和的热管理目标具有重要意义。

  文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72439-z

通讯作者简介

通讯作者：吴义强院士，中南林业科技大学

中国工程院院士、国际木材科学院院士，第十四届全国人民代表大会代表。担任湖南省科协副主席，国务院学位委员会林业工程学科评议组成员，教育部林业工程教指委副主任委员，木竹资源高效利用省部共建协同创新中心、农林生物质绿色加工技术国家地方联合工程研究中心主任等职务。主持国家重点研发计划项目，国家自然科学基金重大、重点及面上项目与课题，中国工程院战略研究与咨询项目，湖南省科技重大专项等20余项；发表学术论文400余篇；授权国际、国家发明专利70余件；出版中、英文专著8部。

通讯作者：何帅明教授，中南林业科技大学

何帅明，中南林业科技大学材料科学与工程学院特聘教授、博士生导师，国家高层次青年人才计划入选者。何教授致力于解决“双碳”目标面临的能源和环境挑战，专注于农林生物质资源高效利用，基于木材改性技术，开发了包括用于节能建筑的日间辐射制冷木材与绝热木材、用于海水淡化和废水处理的木材基太阳能蒸发器和水过滤器、用于人体运动监测的木材基传感器等在内的新型绿色环保材料。

通讯作者：陈朝吉教授，武汉大学

陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature/Science (3篇)及其子刊(18篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用44,000余次，H因子110。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2025连续五年入选材料科学领域）、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“国际材料联合会前沿材料青年科学家奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、“R&D 100 Awards”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、National Science Review、Science Bulletin、Research、SusMat、npj Soft Matter、Green Carbon、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。

通讯作者：杨荣贵教授，北京大学

杨荣贵，北京大学工学院教授，新奥工学讲席教授，博士生导师。杨教授于2021-2023 连续3年入选科睿唯安“全球高被引科学家”、爱思维尔”中国高被引科学家“。迄今为止已发表多篇SCI论文，包括Science、Nature Materials、 Science Advances、Joule、Review of Modern Physics等期刊论文。截止至2024年5月，Web of Science总引用26000余次（他引24000余次），H指数76，近一年度引用5000次以上；Google Scholar 总引用35000余次，H指数 88。回国后主持国家自然科学基金重点项目（2021-2025）、国家重点研发计划项目（2022-2025），研究团队在热功能材料、电子芯片热输运与热管理、储能、低品位热能回收利用等多领域获得多项国家级项目资助。 在美国任教期间（2006-2018）主持美国国家科学基金委、国防部、能源部和农业部等40余个项目，总金额超过4000万美元，其中300万美元以上的大型跨学科项目13项。