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纳米人

2021-07-11

在炎炎夏日保持清凉，不仅对人体的舒适性至关重要，也会影响到一系列家用和工业设备的正常运行。传统的制冷方式，以空调系统为代表，需要消耗大量电能，同时其中使用的制冷剂也具有很强的温室效应。

辐射制冷(Radiative Cooling)是利用部分可以穿透大气层的特定波长电磁波，将物体的多余热量以红外辐射的形式永久地“扔”进宇宙的制冷方式。由于其不耗能、不费电的特点，尤其是近几年由于纳米光学和超材料的研究，实现了在白天太阳直射下仍能将物体降温，辐射制冷吸引了世界各国科研人员和社会有识人士的广泛关注。

2021年7月9日，华中科技大学武汉光电国家研究中心陶光明研究小组和浙江大学光电科学与工程学院马耀光研究小组合作，报道了一种具有形态分级结构、可大批量制备的光学超材料织物（Metafabric），具有优异的日间辐射制冷能力。研究团队将光学超材料技术与批量纤维制备技术相结合，选用绿色环保、生物可降解的聚乳酸为纤维原料，引入特定波段光学新特性，获得了均匀连续的超材料纤维。相较于白色棉织物，Metafabric对人体体表降温超过4 °C；在对汽车模型的降温测试中（广州，2020年12月7日），覆盖Metafabric的模型内部温度相较于市售车罩可降温~27 °C，相较于无织物覆盖的模型可降温~30 °C。

值得一提的是，本研究论文的第一作者是武汉光电国家研究中心硕士生曾少宁、浙江大学光电科学与工程学院博士生片思杰。陶光明和马耀光为共同通讯作者。

参考文献：

https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi5484

辐射制冷技术

衣食住行，没有哪一样，都是无法度日的。无论是手机、电脑、空调，还是汽车、飞机、照明，甚至是比特币挖矿，都在不停地消耗日趋减少的化石能源，并为环境带来一些负担。如何更高效地使用可再生能源，是科学家孜孜不倦的追求。

辐射制冷作为一种极有前途的地面建筑物无电制冷方式，在建筑节能和个人热管理智能织物方面，备受关注。自2014年斯坦福大学Shanhui Fan 课题组首次提出日间辐射制冷概念以来，辐射制冷技术得到了快速的发展，一批优秀的成果被相继报道。

2019年，马里兰大学胡良兵和科罗拉多大学波尔得分校尹晓波团队开发出一种机械强度为404.3 MPa的结构材料，是天然木材的8倍以上。该工程材料中的纤维素纳米纤维反向散射太阳辐射，并在中红外波长发射强，使得白天和夜晚持续低温冷却。研究人员还模拟了冷却木材的潜在影响，并发现节能20％至60％，这在炎热和干燥的气候中最为明显。

Li, T., Zhai, Y. et al. A radiative cooling structural material. Science 364, 760, Doi:10.1126/science.aau9101 (2019).

https://science.sciencemag.org/content/364/6442/760

白天辐射制冷超材料的诞生为该项技术的应用奠定了坚实的基础。然而，在辐射制冷材料的应用中，还有一系列需要考虑和解决的实际问题。例如，在建筑应用领域，简单的被动式应用虽然可以将此类材料直接贴附或涂刷于建筑物外表面进行降温，但是昼夜交替和冬夏的季节变化也给这种应用方式带来了挑战。

2018年，美国科罗拉多大学博尔德分校（杨荣贵和尹晓波教授团队）和怀俄明大学（谭刚教授团队）合作，发展了一种以水为工作介质的辐射制冷集冷模块，实现了第一个可全天连续运行的千瓦级辐射制冷系统，并提出了辐射制冷与建筑结合的24小时全天连续运行具体方案。

图2. 可24小时全天连续运行的千瓦级辐射制冷系统

Dongliang Zhao, Gang Tan, Xiaobo Yin, RongguiYang et al. Subambient Cooling of Water: Toward Real-World Applications of Daytime Radiative Cooling. Joule 2018.

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30468-9

同样是2018年，美国哥伦比亚大学N. Yu和Y. Yang团队在Science报道了一种操作简单、成本低廉、可规模化的多级次多孔聚合物涂层制备方法，实现了高效率的被动辐射冷却。

J. Mandal, Y. Fu, N. Yu, Y. Yang et al. Hierarchically porous polymer coatings forhighly efficient passive daytime radiative cooling. Science 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/09/26/science.aat9513?rss=1

2020年12月，杜克大学徐伯均, 李秀强和怀俄明大学谭刚等人通过完成一系列的光学，机械和热学设计，创造性的将太阳能选择性吸收体制热和白天辐射制冷结合 (Dual-mode)起来用于建筑节能。研究结果表明，建筑屋顶使用所设计的Dual-mode器件后，可为建筑节约~20%的供热和制冷能耗。

X. Li, B. Sun, C. Sui, A. Nandi, H. Fang, Y. Peng, G. Tan*, P.-C. Hsu*. Integration of daytime radiative cooling and solar heating for year-round energy saving in buildings. Nature Communications

DOI: 10.1038/s41467-020-19790-x

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19790-x

2020年，科罗拉多大学尹晓波和华中科技大学杨荣贵等人在Science发表综述，阐述了日间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。

Xiaobo Yin et al. Terrestrial radiative cooling: Using the cold universe as a renewable and sustainable energy source. Science 2020, 370, 786-791.

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

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。2020年11月13日，杜克大学徐伯均, 李秀强等人在Science发表述评，详细阐述了与“衣”有关的光子辐射制冷智能织物的原理、进展和未来基于与挑战。

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