超燃！1天狂发8篇Science，这个Science封面有点冷！

小纳米

2020-11-24

这个地球，承受了太多了苦难！

那个叫后羿的人射掉了九个太阳，成千上万年以来，还是挡不住全球平均温度的不断升高。世界上已有约三分之一的人口经历了产生热应激的条件，建筑工人和农场工人死于高温的风险分别是其他工人的13倍和35倍。随着这一趋势的加剧，世界人口正流向城市，而城市往往比农村热，而且全球许多人口正在老龄化和日趋沉重，这些条件增加了与热相关的伤害风险。

无论是越来越大的数据中心和新技术的散热，还是人类对舒适度以及避免紧急医疗情况的追求，设计新材料，开发新技术来让地球降温，都是全人类迫在眉睫的需求。

目前，住宅和工业制冷基础设施的动力源主要来自蒸气压缩系统。这些系统依赖于压缩气体，然后释放到大气中，这其中的许多气体会导致温室效应。随着地球变暖，在不增加温室气体排放的情况下保持凉爽将是一个长期挑战，新材料和新技术有望实现这一目标。

制冷新技术

为了寻找替代技术，多年来，科学家开发了一系列新材料和新技术，其中一个颇具特色的冷却策略是使用以红外线辐射形式调节热量的材料。

被动式辐射冷却材料利用大气窗口，使红外辐射将热量散发到太空中。当部署在屋顶上时，这些系统在白天可以使建筑物温度降低几度。同样，也可以对纺织品进行设计，以便热量可以更有效地通过纺织品散发，使人们在更高的温度条件下感觉更加舒适。

有鉴于此，最新一期Science组织了一个关于新型制冷技术的特刊，连续刊发8篇相关文章，包括1篇纵论，1篇新闻，3篇述评和3篇综述。现对6篇述评和综述作简要介绍，希望对相关领域的研究人员有所启发。

1. Science综述：神奇的热量材料

1802 年，约翰·高夫（John Gough）发现弹性热量效应（elastocaloric effect），亦即某些材料在外部触发因素下，如拉伸、挤压、磁场或电场等，会产生温度的变化，这种材料被称为热量材料。

几十年来，这些不同的热量链被统一起来，形成了一个专门的研究领域，通过产生用于冷却和加热的更好的热泵，热量材料可以为气候变化提供极大帮助。本综述具体讨论了基于热量材料制冷和制热的原理，新材料和新技术的前世今生和未来挑战。

简要地说，只要积压或者拉伸这些材料，就能实现温度的降低和升高。理论上，基于热量材料，有望为环保冰箱和空调等制冷设备的制造，带来革命性突破！

参考文献：

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/797

2. Science综述：用于蒸汽压缩制冷的新制冷剂和系统配置

基于蒸汽压缩循环的冷却设备中，当前制冷剂为全球变暖带来了巨大困扰。寻找并实施对环境无害的替代品，是解决燃眉之急的关键。本文回顾了蒸气压缩循环的基本原理，以及导致当前和下一代制冷剂的安全性，环境和热力学的约束。

新流体的开发集中在氢氟烯烃（HFO）的氟化烯烃以及含有HFO的共混物上。其中许多都是轻度易燃的，因此在安全和环境因素之间进行了权衡，工程师还可以选择重新使用“天然制冷剂”（氨，二氧化碳，丙烷和异丁烷）。除此之外，创新系统设计可以有效减少所需制冷剂数量，并为制冷剂的选择带来了更多可能。

参考文献：

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/791

3. Science述评：光子辐射制冷智能织物

衣食住行，没有衣服是无法度日的。纺织品是人类最早的发明之一，既可以抵御寒冷，又可以保持美观。现在，全球变暖的紧迫威胁对创新纺织品提出了更高的要求，未来，我们的纺衣服甚至可以随外部温度环境变化而自己降温。

一个基本原理是，穿着较凉的纺织品进行局部“个人热管理”可以有效减少对空调的需求。平均而言，室内光活动的代谢热速率为60至80 W/m²，由皮肤到环境的热通量平衡。该通量通过所有可行的热传递路径发生：传导，对流，辐射和蒸发。由于热舒适的标准之一是没有明显的汗液，因此蒸发仅占〜5 W/m²。以美国加热，制冷和空调工程师协会标准55为参考，并假设衣物隔热为1克洛（0.155 m²K / W；克洛是绝热的工业单位），然后通过纺织品传导和自然对流贡献约40 W/m²，辐射约贡献25 W/m²。这表明辐射在人体热量平衡中的重要作用。与对流传热不同，热辐射是一种表面特性，不需要任何介质或移动部件，就能成为个人热管理的理想工具。

无论肤色如何，人体皮肤都是近乎完美的黑体，可通过普朗克定律发射热辐射。该辐射通过空气传播并被纺织品吸收，其中包含各种类型的共振分子振动模式。几乎所有的服装材料在人体辐射的光谱区域都具有高度吸收性，尽管基尔霍夫的辐射定律表明它们也是良好的发射器，但其红外（IR）不透明性不可避免地会导致辐射屏蔽效果。因此，辐射冷却的关键不是重新设计现有的服装材料，而是重新发明该材料，以使其在红外中处于透明状态，从而使人体灼热的皮肤产生的热辐射绕过织物并直接进入环境。

根据Stefan-Boltzmann定律，传统的吸收红外线的纺织品从寒冷的外表面发出的辐射功率要低得多，辐射功率与温度的四次幂成比例。为了实现更简单的化学键和更少的中红外共振，聚乙烯（PE）纺织品横空出世。

挑战与机遇并存。几千年的演变使人们对服装设计的期望变得复杂，超出了科学的理想范围。需要更多聚合物材料来满足耐磨性需求，以及透气性，皮肤舒适感，耐刮擦性和洗涤能力。

参考文献：

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/784

4. Science综述：被动辐射冷却技术

基于波长尺度的光子材料已经在能源领域取得了一系列重要进展，从固态照明到高效光伏技术，说是将要改变全球能源格局也不为过。一个有趣的技术是，被动辐射冷却材料利用与可再生太阳能一样大的地面热辐射，将热量从地面散发到寒冷的宇宙。新开发的光子材料可以在直射的阳光下进行环境冷却，并且其应用通过可规模化制造而迅速得到拓展。本文综述了白天环境辐射冷却材料的最新进展，该技术可实现节能冷却，并正在为从宇宙中获取寒冷作为新的可再生能源的技术铺平道路。

参考文献：

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/786

5. Science述评：全球变暖，需要全人类一同应对！

2020年7月，西伯利亚各地的气温飙升，北极圈内温度达到38°C，刷新了历史纪录。模型表明，如果没有人为因素引起的全球变暖，很多事件是根本不可能发生的。不断上升的热量正在给人类带来全新的挑战，需要仔细计算全球温度进一步升高将如何引发短期区域性热事件，以及如何对人类健康和活动，粮食供应，基础设施和生态系统的影响。

自19世纪中叶以来，全球平均人为变暖的幅度略高于1°C。根据《巴黎协定》，世界已经设定了一个目标，即将全球人为平均升温控制在2°C以下，如果可能的话，则保持在1.5°C以下。但是，当前的国家认为很可能允许在本世纪末之前将温度提高到4°C左右，此后再进一步提高。考虑到对气候敏感性的最新估计，到2090年仍只有50％的机会保持在2.4°C以下。因此，为了达到2°C的目标，需要针对限制二氧化碳排放制定更加严格的减排承诺和政策，并采取更多减排技术，每一项都带来严峻的社会政治，经济和技术挑战。

过去的研究得出了几个可靠的结论：

1）随着极端阈值与快速增加的频率交叉，影响会随着平均变暖而非线性增加。这表明，我们需要大力减排以将变暖保持在我们可以应付的水平。

2）尽管没有人会幸免，但穷人将受到更加难以承受的打击，这就要求我们在寻求适当的技术和策略以应对不断上升的热量时，需要考虑到使用成本的问题。

参考文献：

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/782

6. Science述评：对数据的无限需求，需要降温！

在信息化的时代，世界由不断获取的信息驱动。无论身在何处，我们都可以触及整个世界，并且无所不在地访问各种形式的数据。各种规模的数据中心都支持检索存储在云端的信息。尽管从任何地方即时访问数据都有很多好处，但是这种访问成本的一部分是不断增长的能源需求，其中很大一部分来自支持这些数据中心所需的冷却基础架构。

在过去的14年中，向基于云的服务的广泛迁移已经改变了数据中心行业。2006年，美国所有服务器中有50％位于中小型数据中心或自我管理的公司数据中心。这些小型数据中心的平均处理器利用率仅为10％到20％，并且由于高功率需求而需要大量能源投资。这些服务器的散热基础设施效率低下（通常位于壁橱或小房间中），导致2014年美国数据中心的年度能源总需求为70兆瓦时，约占美国全部能源使用量的1.8％。

数据中心的总能源需求包括IT设备本身的能源需求和支持基础设施的能源需求，其中绝大部分用于冷却系统。电源使用效率（PUE）表示数据中心设施总能耗与IT设备能耗之间的比率。PUE为1.0的数据中心除了为IT设备供电外，不会消耗任何能源。2007年，当Green Grid引入该指标时，数据中心的平均PUE为2.0，而到2016年，该平均值未发生明显变化。近年来，对这一指标的日益关注使得冷却技术取得了大量实质性进步。

未来，冷却策略的改进重点将从空气冷却策略转移到对嵌入式液体和蒸发冷却技术的关注，这些技术利用了固有更高的传热系数。直接液体冷却的特征是将微通道冷却板直接安装在发热芯片上。具有三维结构的集成芯片设计正在创造出甚至可以通过直接液体冷却控制的能量密度。下一代冷却研究甚至将芯片直接浸入介电液中，随后在芯片界面沸腾。具有虹吸式液体蒸汽系统的热虹吸管已成为人们关注的焦点，因为它们可以在沸腾的情况下实现高热量传递，同时消除了微型泵固有的可靠性问题。在应用中，微蒸发器直接位于每个芯片上，就像一个冷板一样。

参考文献：

https://science.sciencemag.org/content/370/6518/783