具有被动日间辐射冷却（PDRC）能力的结构材料，为建筑的可持续降温提供了全新路径。然而，要开发兼具光学稳定性、易于部署和大规模应用潜力的高耐久性PDRC结构材料，仍是土木工程领域的一大挑战。本研究提出了一种超表面增强型冷却水泥，采用通用且可扩展的低碳压力驱动制备策略。在制备过程中，主要水化产物——不同尺寸的钙矾石晶体自组装于表面形成类超表面结构，结合多级孔隙结构，实现了极高的太阳光反射率（96.2%）；而富含铝和硫的原材料赋予了水泥优异的中红外发射率（96.0%）。所制超酷水泥（super-cool cement）在日照强度为850 W/m2的正午条件下，实现了5.4°C的温度降低。该“超冷水泥”不仅具有本征的高强度、类装甲的耐磨性和优异的光学稳定性，且在强腐蚀液体、紫外辐照和冻融循环等极端环境中依然保持性能。通过机器学习辅助的生命周期评估显示，该材料有望实现净负碳排放，展现出其在绿色建造中的巨大应用潜力。
近日，东南大学材料科学与工程学院缪昌文院士、佘伟教授领衔的水泥基超材料团队在国际著名期刊《Science Advances》上发表了题为“Scalable Metasurface-Enhanced Super-Cool Cement”的论文，报道了该团队在水泥基材料辐射制冷方面的最新研究成果。
随着全球气候变暖与城市制冷需求的持续增长，建筑运行阶段的能耗与碳排放问题日益凸显。传统空调系统能耗巨大，导致建筑运行成为全球碳排放的重要来源之一。被动式辐射冷却（PDRC）因其无需外部能源驱动、可通过热辐射散热，在节能建筑领域被视为极具前景的解决方案。然而，现有辐射冷却材料多依赖复杂的纳米光子结构、陶瓷涂层或聚合物膜，普遍存在造价高、机械强度低、难以规模应用等问题，限制了其在建筑领域的落地与推广。水泥作为全球产量最高、应用最广的工程材料，具备良好的红外发射能力与结构稳定性，具有转化为辐射冷却材料的潜在优势。
Bottom-up：从原材料出发打造本征辐射制冷基体
团队采用自下而上的策略，从原材料源头优化水泥熟料成分，选择富含钙、铝、硫和硅的矿物体系，在热处理阶段去除杂质，确保形成高效红外发射与太阳反射的水化产物。该设计促使钙矾石晶体与无定形凝胶在水化早期形成稳定结构网络，展现出类黑体辐射的红外活性及高可见光反射率（白度高、带隙适中）。
Metasurface：构建微纳结构提升散射与反射
为放大钙矾石晶体作用，研究团队设计了基于气压差驱动的成型策略，结合可重复使用的PDMS模板，实现微腔结构的精准构筑。通过诱导晶体在表面定向组装，成功构建出类超表面结构，实现高达96.2%的太阳反射率与96.0%的红外发射率。该策略可拓展至普通波特兰水泥等其他系统，兼具普适性与可扩展性。
耐久性与美学兼具：结构-光学性能双提升
“超冷水泥”不仅拥有超过100 MPa的抗压强度和优异的柔性粘结能力，其结构中的微腔如同装甲，保护功能晶体免受磨损。其在酸碱液、紫外老化、冻融循环等极端环境下均表现出优异的稳定性。材料还具备防污与疏液特性，并可通过掺杂荧光无机染料调节颜色，在保持>90%高反射的同时满足美学需求。
可规模化制造与产业转化潜力
该材料在原料熟料阶段已实现产业化示范，并兼容现有球磨与回转窑设备。其制备过程可实现现场浇筑与预制化应用，并支持未来的连续化roll-to-roll微结构构建技术。同时具备与光伏组件耦合的潜力，为集成型节能建材提供可能。
全球LCA分析揭示碳减排潜力
实地测试显示，该材料在高温正午可实现比常规水泥低26°C的表面温度，全天净冷却功率达96 W/m2。在全球100多个城市模拟结果中，超冷水泥在多数城市实现使用阶段碳排抵消，部分地区甚至在生命周期内达成"负碳"。在尼亚美与重庆等城市，每吨使用量可分别减少1183–2585 kgCO?e。该材料特别适用于发展中、中等与新兴城市的绿色建筑升级。
总结：团队提出一种面向建筑工程的“超酷水泥”设计策略，自下而上重新定义了水泥材料，从原料微结构出发，通过构建光交互超表面与自组装反射晶体，实现了无需填料即可具备高反射率（96.2%）与类黑体红外发射率（96.0%）的本征辐射制冷性能。该材料兼具力学强度、耐候性、防污性与可塑性，适用于建筑墙面、屋顶乃至极端环境中的结构或涂层使用。生命周期评估显示，其在70年内每吨可减少高达 2867.78 千克 CO? 排放，具备从“高碳建材”向“负碳系统”转型的革命性潜力。这项工作不仅让传统水泥从吸热材料转变为反射冷却材料，更为建筑行业通往零碳未来提供了可行路径。有望实现建筑领域负碳转型，助力双碳目标顺利达成。
本工作发表后被Science Advances期刊网站首页以“Super-cool cement offers passive cooling”作为Featured image加以推介。国际知名学术媒体De Ingenieur、Chemistry world、New Scientist及国家级公共广播机构Deutschlandradio也对本工作做了亮点报道。
本文第一作者为东南大学材料科学与工程学院水泥基超材料团队2020级博士研究生卢果、2019级博士研究生杜丰音和2023级博士研究生王振，通讯作者为佘伟教授，东南大学为论文唯一通讯单位。论文合作者包括：美国普渡大学李恬教授、江西银杉白水泥有限公司高级工程师吴飞龙、东南大学材料科学与工程学院左文强教授、胡张莉教授及东南大学能源与环境学院赵东亮教授。近年来，缪昌文院士、佘伟教授团队在国家重点研发、国家自然科学基金、联合会揭榜挂帅等项目支持下，在水泥基超材料领域取得了一系列重要进展。团队致力于通过微结构调控与界面优化推动水泥材料从传统结构材料向功能化、智能化材料的跨越式发展。相关成果已在力学、声学、光学、热学与电学等多个物理场域实现性能突破，展现出重构混凝土材料体系与性能边界的潜力，为新一代绿色、高性能建筑材料提供了理论支撑与技术路径。
文章链接：www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv2820
