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  具有被動日間輻射冷卻（PDRC）能力的結構材料，為建筑的可持續降溫提供了全新路徑。然而，要開發兼具光學穩定性、易于部署和大規模應用潛力的高耐久性PDRC結構材料，仍是土木工程領域的一大挑戰。本研究提出了一種超表面增強型冷卻水泥，采用通用且可擴展的低碳壓力驅動制備策略。在制備過程中，主要水化產物——不同尺寸的鈣礬石晶體自組裝于表面形成類超表面結構，結合多級孔隙結構，實現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異的中紅外發射率（96.0%）。所制超酷水泥（super-cool cement）在日照強度為850 W/m2的正午條件下，實現了5.4°C的溫度降低。該“超冷水泥”不僅具有本征的高強度、類裝甲的耐磨性和優異的光學穩定性，且在強腐蝕液體、紫外輻照和凍融循環等極端環境中依然保持性能。通過機器學習輔助的生命周期評估顯示，該材料有望實現凈負碳排放，展現出其在綠色建造中的巨大應用潛力。

  近日，東南大學材料科學與工程學院繆昌文院士、佘偉教授領銜的水泥基超材料團隊在國際著名期刊《Science Advances》上發表了題為“Scalable Metasurface-Enhanced Super-Cool Cement”的論文，報道了該團隊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增長，建筑運行階段的能耗與碳排放問題日益凸顯。傳統空調系統能耗巨大，導致建筑運行成為全球碳排放的重要來源之一。被動式輻射冷卻（PDRC）因其無需外部能源驅動、可通過熱輻射散熱，在節能建筑領域被視為極具前景的解決方案。然而，現有輻射冷卻材料多依賴復雜的納米光子結構、陶瓷涂層或聚合物膜，普遍存在造價高、機械強度低、難以規模應用等問題，限制了其在建筑領域的落地與推廣。水泥作為全球產量最高、應用最廣的工程材料，具備良好的紅外發射能力與結構穩定性，具有轉化為輻射冷卻材料的潛在優勢。

Bottom-up：從原材料出發打造本征輻射制冷基體

  團隊采用自下而上的策略，從原材料源頭優化水泥熟料成分，選擇富含鈣、鋁、硫和硅的礦物體系，在熱處理階段去除雜質，確保形成高效紅外發射與太陽反射的水化產物。該設計促使鈣礬石晶體與無定形凝膠在水化早期形成穩定結構網絡，展現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：構建微納結構提升散射與反射

  為放大鈣礬石晶體作用，研究團隊設計了基于氣壓差驅動的成型策略，結合可重復使用的PDMS模板，實現微腔結構的精準構筑。通過誘導晶體在表面定向組裝，成功構建出類超表面結構，實現高達96.2%的太陽反射率與96.0%的紅外發射率。該策略可拓展至普通波特蘭水泥等其他系統，兼具普適性與可擴展性。

耐久性與美學兼具：結構-光學性能雙提升

  “超冷水泥”不僅擁有超過100 MPa的抗壓強度和優異的柔性粘結能力，其結構中的微腔如同裝甲，保護功能晶體免受磨損。其在酸堿液、紫外老化、凍融循環等極端環境下均表現出優異的穩定性。材料還具備防污與疏液特性，并可通過摻雜熒光無機染料調節顏色，在保持>90%高反射的同時滿足美學需求。

可規模化制造與產業轉化潛力

  該材料在原料熟料階段已實現產業化示范，并兼容現有球磨與回轉窯設備。其制備過程可實現現場澆筑與預制化應用，并支持未來的連續化roll-to-roll微結構構建技術。同時具備與光伏組件耦合的潛力，為集成型節能建材提供可能。

全球LCA分析揭示碳減排潛力

  實地測試顯示，該材料在高溫正午可實現比常規水泥低26°C的表面溫度，全天凈冷卻功率達96 W/m2。在全球100多個城市模擬結果中，超冷水泥在多數城市實現使用階段碳排抵消，部分地區甚至在生命周期內達成"負碳"。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展中、中等與新興城市的綠色建筑升級。

  總結：團隊提出一種面向建筑工程的“超酷水泥”設計策略，自下而上重新定義了水泥材料，從原料微結構出發，通過構建光交互超表面與自組裝反射晶體，實現了無需填料即可具備高反射率（96.2%）與類黑體紅外發射率（96.0%）的本征輻射制冷性能。該材料兼具力學強度、耐候性、防污性與可塑性，適用于建筑墻面、屋頂乃至極端環境中的結構或涂層使用。生命周期評估顯示，其在70年內每噸可減少高達 2867.78 千克 CO? 排放，具備從“高碳建材”向“負碳系統”轉型的革命性潛力。這項工作不僅讓傳統水泥從吸熱材料轉變為反射冷卻材料，更為建筑行業通往零碳未來提供了可行路徑。有望實現建筑領域負碳轉型，助力雙碳目標順利達成。

  本工作發表后被Science Advances期刊網站首頁以“Super-cool cement offers passive cooling”作為Featured image加以推介。國際知名學術媒體De Ingenieur、Chemistry world、New Scientist及國家級公共廣播機構Deutschlandradio也對本工作做了亮點報道。

  本文第一作者為東南大學材料科學與工程學院水泥基超材料團隊2020級博士研究生盧果、2019級博士研究生杜豐音和2023級博士研究生王振，通訊作者為佘偉教授，東南大學為論文唯一通訊單位。論文合作者包括：美國普渡大學李恬教授、江西銀杉白水泥有限公司高級工程師吳飛龍、東南大學材料科學與工程學院左文強教授、胡張莉教授及東南大學能源與環境學院趙東亮教授。近年來，繆昌文院士、佘偉教授團隊在國家重點研發、國家自然科學基金、聯合會揭榜掛帥等項目支持下，在水泥基超材料領域取得了一系列重要進展。團隊致力于通過微結構調控與界面優化推動水泥材料從傳統結構材料向功能化、智能化材料的跨越式發展。相關成果已在力學、聲學、光學、熱學與電學等多個物理場域實現性能突破，展現出重構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路徑。

  文章鏈接：www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv2820