無源降溫光學超材料織物——零耗能又降溫的“黑科技”織物
參賽者:吳嘉威、曾少寧、周賢駿
指導老師:陶光明
人們在夏季的戶外環(huán)境感到炎熱難忍,最顯然的原因之一是太陽輻射在源源不斷地向物體傳輸光熱,然而實際的熱交換機制則是一個更復雜的過程。物體與環(huán)境的熱量交換方式包括熱對流、熱傳導、熱輻射。其中,包含人體在內(nèi)的常溫物體的熱輻射譜,主要處于 7~14 μm的中紅外波段,這一范圍與大氣透明窗口中的8~13 μm 波段基本重疊。因此,面向天空的物體所發(fā)出的熱輻射,可以通過大氣透明窗口向低溫的外太空進行散熱,把宇宙空間作為一個“天然冷庫”以實現(xiàn)降溫。
在戶外暴曬環(huán)境中,盡管熱輻射散熱始終存在,但人體的熱輻射功率密度僅為 100 W/m2 左右,而太陽光卻具有近 1000 W/m2的輻照度。這樣人體散熱的輸出量不足以抵消太陽輻射的輸入量,就會導致皮膚溫度上升。在戶外暴曬環(huán)境中,盡管熱輻射散熱始終存在,但人體的熱輻射功率密度僅為 100 W/m2 左右,而太陽光卻具有近 1000 W/m2的輻照度。這樣人體散熱的輸出量不足以抵消太陽輻射的輸入量,就會導致皮膚溫度上升。如何能夠避免如此巨大的外部加熱?經(jīng)歷了漫長進化的地球生物往往能給予我們非常寶貴的啟示。在自然界中,撒哈拉銀蟻具有密集排列的獨特三角形毛發(fā),使它們可以反射太陽輻射中大部分的可見—近紅外光,同時增強中紅外輻射波段的發(fā)射率,從而避免體表過熱,使銀蟻得以在炎熱的非洲沙漠中棲息生存。
受撒哈拉銀蟻毛發(fā)啟發(fā),為應對全球變暖和極端高溫挑戰(zhàn),緩解能源消耗和熱舒適性的矛盾,陶光明教授帶領團隊研發(fā)無源降溫光學超材料織物。在直曬環(huán)境中,可為人體降溫近5 °C,可為汽車內(nèi)部降溫近30 °C。成果發(fā)表于Science。