出品：科普中國
作者：林昊（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。
在炎炎夏日，人們常?？释跊鏊巳说目照{房中休息，以逃離酷暑的侵擾。然而，像空調等制冷設備需耗費大量能源，這無疑加劇了溫室氣體的排放，進而推動了全球變暖的進程。
面對傳統(tǒng)制冷設備帶來的能源消耗和溫室氣體排放問題，科學家們開始將目光投向了一種古老而又新穎的制冷方式——輻射制冷技術。這一技術與許多我們熟知的自然現象，例如霜凍、結露等，有著密切的關系。
像太陽一樣，地球也可以對外太空“散熱”
傳熱機制總共有三種，分別是：熱傳導、熱對流和熱輻射。
輻射制冷技術就是一種利用自然界的熱輻射現象來實現制冷的技術。想象一下，晴天的時候，你站在陽光下會感覺到熱，這是因為太陽通過熱輻射把熱量傳遞給了你。反過來，如果我們能讓物體把熱量輻射出去，不就能實現制冷了嗎？但是，物體并不能把熱量輻射到任何地方，它們需要找到一個“出口”。這個“出口”就是大氣透明窗口。大氣透明窗口就像是天空中的一個小洞，它允許特定波長的光線（8至13微米的紅外線）自由地通過，而不被大氣層吸收或反射。這個窗口的存在，使得地球上的物體能夠向寒冷的外太空輻射熱量。
你可能會問，為什么物體要選擇這個窗口來輻射熱量呢？這就涉及到黑體輻射的概念了。黑體輻射是指一個理想物體——黑體，由于其溫度而發(fā)出的電磁輻射，這種輻射的強度和波長分布僅取決于物體的溫度，不受其他因素影響。而300K（K是開氏度也就是大約27攝氏度）左右的物體，其黑體輻射的峰值正好落在了8至13微米的范圍內。也就是說，這個溫度下的物體最容易通過這個窗口把熱量輻射出去。而且，這個過程是完全不需要消耗能量的。輻射制冷就是這樣一種被動制冷技術，它利用物體自身的熱輻射特性，將熱量以紅外線的形式散發(fā)到寒冷的外太空中，既環(huán)保又節(jié)能。
任何面向天空的地球表面，如果能夠增加在大氣窗口中的輻射，向寒冷的外太空輻射熱量，就能實現低于環(huán)境溫度的自然制冷。輻射制冷這種無需任何電力支持的被動制冷策略，有助于緩解能源短缺和溫室效應等環(huán)境問題。
與水平面相比，豎直面的自然降溫更有難度
近年來，日間輻射制冷技術取得了顯著的發(fā)展。
想象一下，在夏日炎炎的正午時分，面對太陽光直射強度高達1000 W/m2時（這個強度相當于把生雞蛋打到水泥地上，大約15到20分鐘內雞蛋就能被燙熟），如果能通過使用熱光子學原理設計的輻射制冷器，讓某個人們日?？梢越佑|到的表面的溫度比周圍環(huán)境的空氣溫度還要低5-10℃，那將為酷暑的夏日帶來諸多的“小確幸”。
迄今為止，大多數關于白天輻射制冷的研究主要集中在能直接朝向天空的表面，比如建筑物的屋頂。但在實際應用中，還有很多需要制冷的對象，諸如建筑物的外墻、車輛的車身以及紡織品等，它們的大部分外表面其實是豎直的。若讓建筑外墻、汽車等豎直表面自身在日間輻射中制冷，有助于減少對傳統(tǒng)空調系統(tǒng)的依賴，推動建筑節(jié)能和汽車熱管理等領域的發(fā)展。這就意味著，研發(fā)一種適用于豎直表面的日間輻射制冷技術，具有非常重要的實際意義。
夏日里，當我們漫步于馬路上時，常常會感受到一股熱浪撲面而來，這正是地面向外輻射能量的直觀體現。**與水平面的輻射制冷技術相比，豎直面的輻射制冷技術面臨著更為復雜的挑戰(zhàn)。**它不僅要有效減少太陽光譜的吸收，還要盡可能提升大氣窗口波段的熱發(fā)射，并且設法去避免被高溫地面所加熱，從而確保制冷效果的最大化。
盡管近年來國際上一些研究團隊嘗試調控熱輻射的光譜或角度，但豎直表面的日間亞環(huán)境（指在白天條件下，某個物體或表面的溫度低于周圍環(huán)境溫度的狀態(tài)）輻射制冷仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
我們實現了新的技術突破！
近期，經過我們團隊（中國科學院長春光機所的李煒研究員團隊）與合作伙伴共同努力，在熱光子學領域取得了顯著進展，巧妙地實現了熱輻射角度與光譜在不同波段上的協(xié)同控制，并據此設計具有跨尺度對稱破缺性、角度非對稱光譜選擇性的定向發(fā)射器件——AS發(fā)射器件，使得豎直表面在白天也能實現低于環(huán)境溫度的輻射制冷。
這一研究成果被命名為《Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces》，并在《Science》雜志上發(fā)表，同時獲得了三項專利授權。
研究成果發(fā)表于《Science》
（圖片來源：官網截圖）
該工作不僅突破了豎直表面日間亞環(huán)境輻射制冷的技術難關，也對輻射制冷的實際應用具有重大意義，同時提高了熱輻射角度與光譜在跨波段上的協(xié)同調控能力，為熱光子學的操控領域開辟了新的道路。
這是長春光機所以第一單位身份在《Science》上發(fā)表的首篇文章，也是繼《Nature》上發(fā)表關于光子學角度與光譜協(xié)同調控的高維光場信息感知工作的研究成果后，我們團隊（李煒研究員團隊）取得的又一重大突破。
AS發(fā)射器件怎么解決豎直面的散熱問題？
研究團隊設計的AS發(fā)射器件，打破了傳統(tǒng)全向輻射的局限性，采用角度非對稱光譜選擇性的設計來減少豎直表面制冷中的熱量交換。
全向寬帶發(fā)射器件和角度非對稱光譜選擇性發(fā)射器件在豎直表面的輻射換熱過程
（圖片來源：參考文獻1）
**AS發(fā)射器件的核心創(chuàng)新在于特殊的鋸齒光柵結構，這種結構打破了鏡面對稱性，為熱輻射提供了角度非對稱的特性。**鋸齒光柵的傾斜表面覆蓋了一層Ag（銀）層，能有效阻擋太陽光進入鋸齒光柵內部，**減少因多次反射造成的太陽光吸收，抑制來自地面的熱輻射。**而橫向表面則覆蓋有SiN（氮化硅）層，這層材料能向天空發(fā)射光譜選擇性的熱輻射。
AS發(fā)射器件的設計示意圖
（圖片來源：參考文獻1）
為了進一步提升太陽光譜的反射率，研究人員在鋸齒結構表面覆蓋了一層多孔聚乙烯薄膜（nanoPE），其孔隙尺寸在0.3μm至1μm之間，對紫外-可見光（UV-VIS）具有強散射作用，同時對中紅外（mid-IR）幾乎無散射效應。**這層薄膜與Ag層結合，能在整個太陽光譜范圍內產生強烈的反射效果。**同時，nanoPE薄膜在紅外波段的散射效率極低，確保了其較高的紅外透射率以及AS發(fā)射器的角度非對稱光譜選擇性輻射特性。
不同直徑聚乙烯空氣孔在0.3 ~ 20μm波長范圍內的散射效率（其中E是入射光的電場；K是入射光的波矢量）
（圖片來源：參考文獻1）
AS發(fā)射器的制冷效果如何？我們進行了測試
為了證明AS發(fā)射器在輻射冷卻方面的有效性，研究團隊進行了兩項實驗。首先，我們使用了一個定制的真空室，內部維持在-13℃的冷背景，并內置了一個加熱器。在加熱器溫度分別升至48.9℃、73.3℃、96.9℃時，與全向寬帶熱發(fā)射器相比，AS發(fā)射器的溫度分別低14.1℃、19.8℃、25.6℃。這一結果表明，在相同條件下，AS發(fā)射器能夠實現更低的溫度，從而展現了其在定向輻射冷卻方面的顯著優(yōu)勢。
真空環(huán)境下豎直方向AS發(fā)射器的輻射制冷性能對比
（圖片來源：參考文獻1）
其次，研究團隊在北京晴朗的夏季陽光下對AS發(fā)射器件進行了24小時連續(xù)的室外溫度測試。在一整天中，AS發(fā)射器的表面溫度始終低于環(huán)境溫度。即使在炎熱的正午，AS發(fā)射器仍然保持約2.5℃的亞環(huán)境輻射制冷性能，且與常規(guī)高性能輻射制冷器件（硅-聚合物混合輻射冷卻器）和商用白漆相比，制冷性能還分別低4.3℃和8.9℃。
商用白漆、硅-聚合物混合輻射冷卻器、AS發(fā)射器戶外輻射制冷性能對比測試
（圖片來源：參考文獻1）
為進一步驗證AS發(fā)射器的實用性，研究人員還特別關注了建筑物間熱輻射的影響，特意讓所有發(fā)射器都朝向正午時分溫度最高的南向墻壁。得益于AS發(fā)射器的角度與光譜協(xié)同調控能力，通過改變鋸齒光柵的寬高比，來調控熱輻射的發(fā)射角度范圍。這樣一來，即便在建筑物間存在熱輻射的情況下，AS發(fā)射器依然能夠實現低于環(huán)境溫度的輻射制冷。
實驗結果顯示，其表面溫度比常規(guī)高性能輻射制冷器件和商用白漆分別低3.5℃和4.6℃。除了以上實驗驗證，研究還從理論上分析了考慮建筑間熱輻射時，制冷功率的理論極限。
考慮建筑之間熱輻射影響的實驗與理論分析
（圖片來源：參考文獻1）
結語
總的來說，這項研究攻克了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷的難題，在輻射制冷技術和節(jié)能減排領域取得了重大進展。它不僅提升了熱輻射角度與光譜的協(xié)同調控能力，還展現了熱光子學操控的新境界，為高效冷卻、加熱、能量傳輸及空間光學系統(tǒng)的熱控制等創(chuàng)新應用開辟了新道路。
我們還將繼續(xù)努力，進一步優(yōu)化AS發(fā)射器的設計，以適應更多應用場景。并探索與新型材料和加工技術的結合，以提升其性能，實現規(guī)?；偷统杀净?。
展望未來，我們期待這項技術能夠在高層建筑、交通工具等領域得到廣泛應用。想象一下，AS發(fā)射器被巧妙地融入高層建筑的外墻材料中，通過精確調節(jié)建筑表面的熱輻射特性，實現被動地降低室內的溫度。這不僅將大幅降低空調系統(tǒng)的能耗，還能顯著提升居住和工作的舒適度，同時也有助于緩解城市熱島效應。同樣，汽車、火車和飛機等交通工具如果搭載了AS發(fā)射器技術，也將有效降低運行過程中的熱負荷，提高能源利用效率，為節(jié)能減排事業(yè)作出重要貢獻。
我們有理由相信，隨著這項技術的不斷發(fā)展和完善，它將為人類創(chuàng)造更加綠色、可持續(xù)的未來！
參考文獻：
1.Fei Xie et al.，Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces.Science386，788-794(2024).
掃碼下載APP
科普中國APP
科普中國
科普中國
京公網安備11010202008423號