两篇Science，在阳光下触发“被动冷却”技能

随着深秋的脚步，北方地区的小伙伴经常可以在清晨看到植物叶片上的白霜。其实，此时环境温度仍可能略高于冰点，那么叶片上的这一层小冰晶是如何形成的呢？众所周知，所有高于0 K的物体都会发射和吸收电磁波，而地球表面温度（~300 K）高于太空温度（~3 K），因此叶子会通过长波红外辐射（8-13 μm）的大气窗口向太空散发热量，辐射通过地球大气层逃逸到外层空间，使得叶子的表面温度低于空气温度，这就是被动辐射冷却过程。

结霜的叶子。图片来源：Light Sci. Appl. ^[1]

虽然辐射冷却在自然界中很常见，但其应用一直局限于夜晚——白天太阳光的照射很强，辐射冷却现象并不显著。然而，太阳的光谱辐射主要集中在0.3至2.5 μm的波长范围内。如果找到一种材料，能够在太阳直射下几乎不吸收能量，同时又可以在8-13 μm波长下发出红外辐射释放能量，或许就可以制造出在晴朗的白天也能使用的辐射冷却器件。

辐射冷却的换热过程、太阳光谱及辐射发射器光谱。图片来源：Nat. Photon.^[2]

尽管这一理念十分简单，但直到最近几年随着光子超材料领域的突破才得以实现。2014年，美国斯坦福大学范汕洄课题组在Nature 杂志上发表论文，报道了他们设计的辐射冷却装置，在太阳直射之下，相对于周围空气温度可下降4.9 °C。这引起了科学界巨大的研究兴趣 ^[3]。

屋顶测试的辐射冷却器件。图片来源：Nature ^[3]

近日，同一期Science 杂志又发表了两篇基于玻璃和陶瓷的新型辐射冷却材料的文章，在白天太阳光照射下也能实现被动辐射冷却。两个工作都采用氧化铝为基础的多孔结构，香港城市大学Chi Yan Tso课题组和香港理工大学王钻开课题组开发了一种冷却陶瓷，而美国马里兰大学胡良兵课题组则将氧化铝颗粒与玻璃颗粒混合，创造了一种冷却玻璃涂层。两篇工作分别展示出99.6%和96%的近乎完美的太阳光反射率，以及在长波红外辐射下超过96.5%和95%的高发射率，实现建筑物的节能减排。

辐射冷却材料为建筑降温。图片来源：Science ^[4]

辐射冷却陶瓷

香港城市大学的研究者：（从左往右）Lin Kaixin, Edwin Tso Chi-yan, Chen Siru。图片来源：香港城市大学 ^[5]

香港研究者们的灵感来源是地球上已知最白的昆虫白金龟（Cyphochilus）。这种昆虫的甲壳主要由0.2~0.3 μm的壳聚糖鳞片构成，可以有效地散射0.5~0.7 μm波长范围的可见光。此外，壳聚糖丝还形成了随机网络结构，通过多次反射和折射，降低可见光的透射率，从而呈现出高度的白色。正是这件独特的多尺度和多模式散射结构的天然“防晒衣”，为昆虫在阳光下提供了良好的保护。

自然界最白的昆虫及其甲壳结构。图片来源：Science

研究者模仿了这种鳞片结构，通过相转化和烧结工艺对氧化铝颗粒进行改造，外层密集排列，内部则充满大量的空隙。这种多孔结构的冷却陶瓷在自然光下同样呈现出高度白色，对太阳光的反射率达到近乎完美的99.6%，相比之下，银的反射率为89.5%，商用白色瓷砖的反射率则仅为76.2%。

分层多孔冷却陶瓷。图片来源：Science

随后，研究者将多孔冷却陶瓷与白色商用瓷砖进行对比，在连续84小时的测量周期中，冷却陶瓷的温度始终低于环境温度，最大温差降低了8.8 °C，平均温差降低3.8 °C，即使在正午阳光直射下，也能实现大于4 °C的冷却效果。而白色瓷砖只在晚上才有冷却效果，白天温度高于环境温度。

通过对冷却功率进行测量，冷却陶瓷两次测量夜间的平均冷却功率分别为142和125 W m^-2，高于白色瓷砖（128和117.3 W m^-2）；在正午太阳强度高达800 W m^-2下，冷却陶瓷两次测量的冷却功率分别为134.5和133.8 W m^-2，而白色瓷砖在白天没有冷却效果。这表明该材料在白天和夜晚的性能相当。除了在香港进行实验，研究者还在北京、美国费城、波士顿等地进行测试，均得到类似结果，说明这种冷却陶瓷能适应不同的气候条件。

多孔冷却陶瓷的冷却性能评估。图片来源：Science

为了调查材料在实际应用中的冷却效果，研究者建造了两个相同的房屋模型，分别用冷却陶瓷和白色瓷砖作为屋顶。相比于瓷砖，冷却陶瓷制造的房屋室内温度在中午时分要低~5 °C，在炎热潮湿的香港，可以节省26.8%的空调电力（设定25 °C）。此外，冷却陶瓷还具有其他优势，比如氧化铝极低的紫外吸收使其免受光降解的影响，如果对表面进行氟硅烷修饰，可以实现良好的抗污性能等。

房屋模型及节能评估。图片来源：Science

辐射冷却玻璃涂层

马里兰大学的研究者则是将平均尺寸~0.5 μm的Al₂O₃颗粒与普通玻璃颗粒混合，分散在有机溶剂中，并进行球磨，混合成一种可以轻松涂刷在基材上的白色浆料。在600 °C下退火烧结1分钟后，溶剂挥发，Al₂O₃颗粒嵌入骨架，该涂料对太阳光同样具有＞96%的高反射率。

辐射冷却玻璃涂层。图片来源：Science

当Al₂O₃颗粒的质量分数为40 wt %时，涂层呈现明显多孔结构，太阳光反射率为~80%；增加到50 wt %时，涂层孔隙率约~50%，太阳光反射率提高至96%；继续增加到>60 wt %后，太阳光反射率达到98%，然而结构强度、抗磨和抗冲击性能开始显著下降。因此，40~60 wt %的Al₂O₃含量是确保涂层稳定性和高太阳光反射率的最佳范围。

将涂料刷在玻璃基板上并烧结，在正午太阳辐照强度为~790 W m^-2下进行测试，基板温度比环境温度（~30 °C）低了3.5 °C；在夜晚时比环境温度（~17.5 °C）低了4 °C，估算涂层的冷却功率为~60 W m^-2。

辐射冷却玻璃涂层的冷却性能测试。图片来源：Science

这种涂层材料表现出卓越的环境稳定性、良好的阻燃性能以及出色的抗污性。例如，在水中浸泡60天，或者紫外照射80天后，其太阳光反射率几乎保持不变；在高达1000 °C的高温火焰下，仍能保持稳定10秒以上。此外，通过添加有色无机染料，能够获得多彩的玻璃涂层，如粉红色、绿色和黄色，从而提升涂料的美观性，而这些彩色玻璃涂层的太阳光反射率也均高于90%。

辐射冷却玻璃涂层的环境稳定性。图片来源：Science

东南大学赵东亮教授在同期Science杂志上对这些成果进行了评论，“两篇研究成果推动了制冷方法的进步，如果应用于建筑物，可降低空调的电力需求，于环境有益。”同时，他也指出，“实现大规模应用仍然是一个巨大的挑战”，“辐射冷却材料不能仅关注使用过程中的节能和成本效益，而应该进行全生命周期评价”^[4]。尽管如此，这种简单、可扩展、低成本且环境稳定的被动辐射冷却材料，为降低建筑物能耗、减少碳排放、实现“冬暖夏凉”提供了一种新的解决方案。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity

Kaixin Lin, Siru Chen, Yijun Zeng, Tsz Chung Ho, Yihao Zhu, Xiong Wang, Fayu Liu, Baoling Huang, Christopher Yu-Hang Chao, Zuankai Wang, Chi Yan Tso

Science, 2023, 382, 691-697. DOI: 10.1126/science.adi4725

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A solution-processed radiative cooling glass

Xinpeng Zhao, Tangyuan Li, Hua Xie, He Liu, Lingzhe Wang, Yurui Qu, Stephanie C. Li, Shufeng Liu, Alexandra H. Brozena, Zongfu Yu, Jelena Srebric, Liangbing Hu

Science, 2023, 382, 684-691. DOI: 10.1126/science.adi2224

参考文献：

[1] M. Lee, et al. Photonic structures in radiative cooling. Light Sci. Appl. 2023, 12, 134. DOI: 10.1038/s41377-023-01119-0

[2] S. Fan, & W. Li, Photonics and thermodynamics concepts in radiative cooling. Nat. Photon. 2022, 16, 182-190.

DOI: 10.1038/s41566-021-00921-9

[3] A. Raman, et al. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature 2014, 515, 540-544. DOI: 10.1038/nature13883

[4] D. Zhao & H. Tang, Staying stably cool in the sunlight. Science 2023, 382, 644-645. DOI: 10.1126/science.adk9614

[5] New cooling ceramic can enhance energy efficiency for the construction sector and help combat global warming—CityU research

https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2023/11/10/new-cooling-ceramic-can-enhance-energy-efficiency-construction-sector-and-help-combat-global-warming-cityu-research 

（本文由小希供稿）