編者按：為揭開(kāi)科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開(kāi)啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

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在炎炎夏日，人們常?？释跊鏊巳说目照{(diào)房中休息，以逃離酷暑的侵?jǐn)_。然而，像空調(diào)等制冷設(shè)備需耗費(fèi)大量能源，這無(wú)疑加劇了溫室氣體的排放，進(jìn)而推動(dòng)了全球變暖的進(jìn)程。

面對(duì)傳統(tǒng)制冷設(shè)備帶來(lái)的能源消耗和溫室氣體排放問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)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(shù)。這一技術(shù)與許多我們熟知的自然現(xiàn)象，例如霜凍、結(jié)露等，有著密切的關(guān)系。

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像太陽(yáng)一樣，地球也可以對(duì)外太空“散熱”

傳熱機(jī)制總共有三種，分別是：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

輻射制冷技術(shù)就是一種利用自然界的熱輻射現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的技術(shù)。想象一下，晴天的時(shí)候，你站在陽(yáng)光下會(huì)感覺(jué)到熱，這是因?yàn)樘?yáng)通過(guò)熱輻射把熱量傳遞給了你。反過(guò)來(lái)，如果我們能讓物體把熱量輻射出去，不就能實(shí)現(xiàn)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(gè)“出口”。這個(gè)“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(gè)小洞，它允許特定波長(zhǎng)的光線（8至13微米的紅外線）自由地通過(guò)，而不被大氣層吸收或反射。這個(gè)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(huì)問(wèn)，為什么物體要選擇這個(gè)窗口來(lái)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(gè)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(qiáng)度和波長(zhǎng)分布僅取決于物體的溫度，不受其他因素影響。而300K（K是開(kāi)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(nèi)。也就是說(shuō)，這個(gè)溫度下的物體最容易通過(guò)這個(gè)窗口把熱量輻射出去。而且，這個(gè)過(guò)程是完全不需要消耗能量的。輻射制冷就是這樣一種被動(dòng)制冷技術(shù)，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(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的自然制冷。輻射制冷這種無(wú)需任何電力支持的被動(dòng)制冷策略，有助于緩解能源短缺和溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題。

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與水平面相比，豎直面的自然降溫更有難度

近年來(lái)，日間輻射制冷技術(shù)取得了顯著的發(fā)展。

想象一下，在夏日炎炎的正午時(shí)分，面對(duì)太陽(yáng)光直射強(qiáng)度高達(dá)1000 W/m2時(shí)（這個(gè)強(qiáng)度相當(dāng)于把生雞蛋打到水泥地上，大約15到20分鐘內(nèi)雞蛋就能被燙熟），如果能通過(guò)使用熱光子學(xué)原理設(shè)計(jì)的輻射制冷器，讓某個(gè)人們?nèi)粘？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(lái)諸多的“小確幸”。

迄今為止，大多數(shù)關(guān)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(shí)際應(yīng)用中，還有很多需要制冷的對(duì)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(shí)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(duì)傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的依賴，推動(dòng)建筑節(jié)能和汽車熱管理等領(lǐng)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(shù)，具有非常重要的實(shí)際意義。

夏日里，當(dāng)我們漫步于馬路上時(shí)，常常會(huì)感受到一股熱浪撲面而來(lái)，這正是地面向外輻射能量的直觀體現(xiàn)。與水平面的輻射制冷技術(shù)相比，豎直面的輻射制冷技術(shù)面臨著更為復(fù)雜的挑戰(zhàn)。它不僅要有效減少太陽(yáng)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(shè)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(lái)國(guó)際上一些研究團(tuán)隊(duì)嘗試調(diào)控?zé)彷椛涞墓庾V或角度，但豎直表面的日間亞環(huán)境（指在白天條件下，某個(gè)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)。

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我們實(shí)現(xiàn)了新的技術(shù)突破！

近期，經(jīng)過(guò)我們團(tuán)隊(duì)（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所的李煒研究員團(tuán)隊(duì)）與合作伙伴共同努力，在熱光子學(xué)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，巧妙地實(shí)現(xiàn)了熱輻射角度與光譜在不同波段上的協(xié)同控制，并據(jù)此設(shè)計(jì)具有跨尺度對(duì)稱破缺性、角度非對(duì)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(shí)現(xiàn)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(shí)獲得了三項(xiàng)專利授權(quán)。

研究成果發(fā)表于《Science》

（圖片來(lái)源：官網(wǎng)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(shù)難關(guān)，也對(duì)輻射制冷的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義，同時(shí)提高了熱輻射角度與光譜在跨波段上的協(xié)同調(diào)控能力，為熱光子學(xué)的操控領(lǐng)域開(kāi)辟了新的道路。

這是長(zhǎng)春光機(jī)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(guān)于光子學(xué)角度與光譜協(xié)同調(diào)控的高維光場(chǎng)信息感知工作的研究成果后，我們團(tuán)隊(duì)（李煒研究員團(tuán)隊(duì)）取得的又一重大突破。

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AS發(fā)射器件怎么解決豎直面的散熱問(wèn)題？

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(duì)稱光譜選擇性的設(shè)計(jì)來(lái)減少豎直表面制冷中的熱量交換。

全向?qū)拵Оl(fā)射器件和角度非對(duì)稱光譜選擇性發(fā)射器件在豎直表面的輻射換熱過(guò)程

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

AS發(fā)射器件的核心創(chuàng)新在于特殊的鋸齒光柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)打破了鏡面對(duì)稱性，為熱輻射提供了角度非對(duì)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(yáng)光進(jìn)入鋸齒光柵內(nèi)部，減少因多次反射造成的太陽(yáng)光吸收，抑制來(lái)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(shè)計(jì)示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

為了進(jìn)一步提升太陽(yáng)光譜的反射率，研究人員在鋸齒結(jié)構(gòu)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(duì)紫外-可見(jiàn)光（UV-VIS）具有強(qiáng)散射作用，同時(shí)對(duì)中紅外（mid-IR）幾乎無(wú)散射效應(yīng)。這層薄膜與Ag層結(jié)合，能在整個(gè)太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射效果。同時(shí)，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(duì)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(zhǎng)范圍內(nèi)的散射效率（其中E是入射光的電場(chǎng)；K是入射光的波矢量）

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

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AS發(fā)射器的制冷效果如何？我們進(jìn)行了測(cè)試

為了證明AS發(fā)射器在輻射冷卻方面的有效性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。首先，我們使用了一個(gè)定制的真空室，內(nèi)部維持在-13℃的冷背景，并內(nèi)置了一個(gè)加熱器。在加熱器溫度分別升至48.9℃、73.3℃、96.9℃時(shí)，與全向?qū)拵岚l(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(jié)果表明，在相同條件下，AS發(fā)射器能夠?qū)崿F(xiàn)更低的溫度，從而展現(xiàn)了其在定向輻射冷卻方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

真空環(huán)境下豎直方向AS發(fā)射器的輻射制冷性能對(duì)比

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

其次，研究團(tuán)隊(duì)在北京晴朗的夏季陽(yáng)光下對(duì)AS發(fā)射器件進(jìn)行了24小時(shí)連續(xù)的室外溫度測(cè)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(duì)比測(cè)試

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

為進(jìn)一步驗(yàn)證AS發(fā)射器的實(shí)用性，研究人員還特別關(guān)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(shí)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(diào)控能力，通過(guò)改變鋸齒光柵的寬高比，來(lái)調(diào)控?zé)彷椛涞陌l(fā)射角度范圍。這樣一來(lái)，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?qū)崿F(xiàn)低于環(huán)境溫度的輻射制冷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究還從理論上分析了考慮建筑間熱輻射時(shí)，制冷功率的理論極限。

考慮建筑之間熱輻射影響的實(shí)驗(yàn)與理論分析

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

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結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)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(shù)和節(jié)能減排領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。它不僅提升了熱輻射角度與光譜的協(xié)同調(diào)控能力，還展現(xiàn)了熱光子學(xué)操控的新境界，為高效冷卻、加熱、能量傳輸及空間光學(xué)系統(tǒng)的熱控制等創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)辟了新道路。

我們還將繼續(xù)努力，進(jìn)一步優(yōu)化AS發(fā)射器的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)景。并探索與新型材料和加工技術(shù)的結(jié)合，以提升其性能，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；偷统杀净?。

展望未來(lái)，我們期待這項(xiàng)技術(shù)能夠在高層建筑、交通工具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(guò)精確調(diào)節(jié)建筑表面的熱輻射特性，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)地降低室內(nèi)的溫度。這不僅將大幅降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，還能顯著提升居住和工作的舒適度，同時(shí)也有助于緩解城市熱島效應(yīng)。同樣，汽車、火車和飛機(jī)等交通工具如果搭載了AS發(fā)射器技術(shù)，也將有效降低運(yùn)行過(guò)程中的熱負(fù)荷，提高能源利用效率，為節(jié)能減排事業(yè)作出重要貢獻(xiàn)。

我們有理由相信，隨著這項(xiàng)技術(shù)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(lái)！

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參考文獻(xiàn)：

1.Fei Xie?et al.，Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces.Science386，788-794(2024).