将热量发送到太空的超酷材料

当商人霍华德·比斯拉（Howard Bisla）受命从经济崩溃中拯救一家当地商店时，他首先关心的问题之一是能源效率。2018年6月，他联系了他在加利福尼亚州萨克拉门托的当地电力供应商，询问升级照明的事宜。供应商有另一个想法。它提议安装一个实验性冷却系统：即使在烈日炎炎下，面板也能保持比周围环境更冷的温度，而且不消耗能源。

铝背板现在位于商店的屋顶上，其镜面表面涂有一层薄薄的冷却膜，并与天空成一定角度。它们冷却下方管道中的液体，这些管道通向商店，并且与新灯一起，已将电费降低了约15％。“即使在炎热的一天，它们也不热，”比斯拉说。

这些面板源于加利福尼亚州斯坦福大学的一项发现。2014年，那里的研究人员宣布，他们创造出一种材料，即使在阳光直射下，也能保持比周围环境更冷的温度。该团队的两名成员，Shanhui Fan和Aaswath Raman，与同事Eli Goldstein一起，创立了一家初创公司SkyCool Systems，并向比斯拉的商店提供了面板。从那时起，他们和其他研究人员制造了许多材料，包括薄膜、喷漆和经过处理的木材，这些材料在高温下也能保持凉爽。

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这些材料都依赖于增强一种称为被动辐射冷却的自然散热效应。地球上的每个人、建筑物和物体都会辐射热量，但地球的毯状大气层会吸收大部分热量并将其辐射回去。然而，波长在8到13微米之间的红外线不会被大气层捕获，而是离开地球，逃逸到寒冷的太空。早在20世纪60年代，科学家们就试图利用这种现象进行实际应用。但被动辐射冷却只有在夜间才明显：在白天，阳光沐浴在我们身上的热能远比我们能发送到太空的热能多。

新材料反射了广泛的光谱，方式与镜子或白色油漆非常相似。然而，在红外光谱中关键的8-13微米部分，它们强烈吸收然后发射辐射。当材料指向天空时，红外线可以直接穿过大气层进入太空。这有效地将材料与一个取之不尽用之不竭的散热器连接起来，它们可以不断地向其中倾倒热量，而热量不会返回。因此，它们可以辐射出足够的热量，始终保持比周围空气低几度的温度；研究表明，在炎热干燥的地方，温差可能超过10°C。亚利桑那州立大学坦佩分校城市气候研究中心的负责人大卫·赛勒（David Sailor）将它们称为超酷材料。

爱好者们说，这些材料不仅可以节省电费，还可以减少随着世界变暖而对耗电制冷和空调的需求激增。“我相信在四到五年内，白天辐射冷却系统将成为建筑物的首选技术，”澳大利亚悉尼新南威尔士大学的马修斯·桑塔莫里斯（Mattheos Santamouris）说，他自己也在努力改进此类材料。“它是未来的空调。”

一些研究人员甚至建议，可以将这些材料视为地球工程战略的一部分，以帮助地球散热，从而抵消全球气温上升。“与其试图阻挡来自太阳的入射热，我们能否只是让地球排放更多热量？”加州大学戴维斯分校的物理学家杰里米·蒙代（Jeremy Munday）问道。

但许多科学家对这些想法持谨慎态度。到目前为止，关于可以节省多少电力的理论估计都是基于在短时间内测试的小样本数据。人们还怀疑这些材料在各种气候和地点工作的能力。冷却效果在干燥气候和晴朗天气中效果最佳；当多云或潮湿时，水蒸气会捕获红外辐射。而且，超酷材料可能无法在所有天气条件下持久使用，或者不容易安装在所有建筑物上。

另一个未知数是消费者是否会接受这个想法。赛勒说，即使是用反光白色屋顶替换破旧屋顶以冷却房屋这种简单的措施，也没有被房主广泛采用。然而，他的建模工作表明，与白色屋顶相比，使用超酷油漆可能会使节能效果提高一倍。“这有点像游戏规则改变者——可能，”他说。

克服太阳

2012年，拉曼（Raman）——当时正在与范（Fan）一起完成关于收集太阳能的材料的博士学位——偶然发现了关于被动辐射冷却的旧研究，这是他以前从未听说过的效应。他意识到没有人研究出如何在阳光直射下使用它，于是他研究了材料克服太阳热量所需的光学特性。它必须比白色油漆更有效地反射波长为200纳米至2.5微米的太阳光谱，白色油漆的反射率已经高达94％。而且它必须尽可能接近100％地吸收和发射关键的8-13微米范围内的波长（参见“保持凉爽”）。

拉曼和范认为，所有这些都可以通过在纳米尺度上工程化材料来实现。创建比将穿过它们的光波波长更小的结构应该增强某些波长的吸收和发射，并抑制其他波长的吸收和发射。

该小组提出了在表面蚀刻图案的想法，并在2013年发表了该想法。然后，该团队向美国高级研究计划署 - 能源部（ARPA-E）提交了一份提案，以获得制造资金。

“我立刻想到，‘哇，我真的很想看到有人真正做到这一点，’”当时担任华盛顿特区ARPA-E项目主管，现在是科罗拉多州博尔德市技术顾问的霍华德·布兰兹（Howard Branz）回忆道。“已经有很多夜间辐射冷却工作，但在广泛的阳光下做到这一点非常惊人。”

布兰兹给了研究人员40万美元和一年的时间。由于时间如此之少，斯坦福大学的研究团队决定简化设计，并尝试以更熟悉的方式对材料进行分层。为了创造出高度反射的材料，研究人员交替使用了四层强烈折射光线（二氧化铪）和弱折射光线（二氧化硅或玻璃）的材料薄层，这是一种光学工程中常用的图案，之所以有效是因为光波在穿过不同层时会发生干涉。他们使用相同的原理来放大红外线发射，在顶部沉积了三层更厚的相同材料。

当他们在室外测试他们的材料时，即使在约850瓦/平方米的阳光直射下，它也比环境温度低近5°C。（在海平面晴朗的一天，正午阳光的强度达到约1,000 Wm2）。

在那次成功之后，ARPA-E资助了其他超酷材料的提案。其中包括来自科罗拉多大学博尔德分校的夏波·殷（Xiaobo Yin）和荣贵·杨（Ronggui Yang）的想法，他们希望大规模制造材料。他们选择使用廉价的塑料和玻璃。尺寸合适的玻璃球（直径几微米）在8-13微米范围内强烈发射。将这些玻璃球嵌入50微米厚的透明聚甲基戊烯薄膜（一种用于某些实验室设备和炊具的塑料）中，并用反光银背衬，足以制造出超酷材料。更重要的是，研究人员可以使用卷对卷技术制造薄膜，该技术每分钟可生产5米。

事实证明，如果结构正确，许多材料都表现出超酷特性——而不仅仅是奇异或特殊材料。2018年，纽约市哥伦比亚大学和伊利诺伊州莱蒙特市阿贡国家实验室的研究人员报告了一种超酷油漆，它基于可喷涂的聚合物涂层。团队成员袁扬解释说，许多聚合物自然会在红外8-13微米范围内发射，因为它们的化学键，例如碳原子之间或碳原子和氟原子之间的化学键，在拉伸和松弛时会喷射出红外光包。关键是增强聚合物反射阳光的能力。

杨的学生Jyotirmoy Mandal——他现在是加州大学洛杉矶分校拉曼实验室的博士后研究员——将氟化聚合物前体溶解在丙酮中，并加入少量水。这种混合物可以喷涂到表面上，形成均匀的聚合物涂层，其中分散着微小的水滴。挥发性丙酮首先干燥，然后是水滴，留下充满空气的孔隙。杨说，总体的结果是形成了一种内部有孔隙的白色涂层，可以反射阳光。

去年五月，科罗拉多州的研究团队报告了另一种材料：一种冷却木材，与马里兰大学帕克分校的胡良兵（Liangbing Hu）和田力（Tian Li）共同创造。李说，就像聚合物一样，木材含有发射正确类型的红外辐射的化学键。通过化学去除一种称为木质素的刚性成分，使木材具有反射性，并压缩产品以排列其纤维素纤维并放大红外线发射，可以实现净冷却效果。

科学家们还用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成了超酷薄膜，聚二甲基硅氧烷是一种硅酮材料，存在于润滑剂、护发素和傻瓜泥等产品中，方法是将其喷涂到反光背衬上。最近在去年8月，威斯康星大学麦迪逊分校的于宗福（Zongfu Yu）和纽约州立大学布法罗分校的甘巧强（Qiaoqiang Gan）发现，在校园停车场中间放置时，喷涂有100微米PDMS层的铝膜比环境空气低11°C。

保持凉爽

几乎所有研究团队都为其发明申请了专利，现在正试图将其推向市场。甘正与未透露姓名的行业合作伙伴合作，将PDMS-铝膜商业化。哥伦比亚大学已将其超酷油漆授权给纽约初创公司MetaRE进行开发，该公司由Mandal和杨在哥伦比亚大学的合作者Nanfang Yu创立。MetaRE的首席执行官April Tian表示，MetaRE还在与行业合作，为屋顶、冷藏运输、仓储和纺织应用开发该油漆。她说，该产品与传统油漆“极具竞争力”。

其他初创公司也强调了其产品可以节省多少电力。范和拉曼为SkyCool Systems的面板开发了一种专有系统。2017年，他们预测，在炎热干燥的内华达州拉斯维加斯，该系统可以在夏季将建筑物用于冷却的电力消耗量减少21％。拉曼说，这些面板将在三到五年内收回成本。殷和荣贵·杨在博尔德市成立了一家名为Radi-Cool的公司，以商业化玻璃嵌入式塑料。今年1月，他们报告说，如果将该材料与亚利桑那州凤凰城、佛罗里达州迈阿密和德克萨斯州休斯顿的商业建筑中的水冷却器集成在一起，则可以在夏季将冷却电力消耗量减少32-45％。与此同时，胡已将超酷木材材料授权给他在马里兰州共同创立的一家名为InventWood的公司。他预测，这可以节省美国16个城市20-35％的冷却能源。

但布达佩斯中欧大学专门研究气候变化减缓的环境科学家戴安娜·于尔格-沃萨茨（Diana Ürge-Vorsatz）警告说，这些估计是基于实验和模型的，这些实验和模型过于有限，无法推断到城市中的整栋建筑物。殷补充说，实际的节能效果以及超酷材料收回成本的速度将取决于建筑物的结构、位置和天气条件。

位置是最大的障碍。“在某些地理区域，它根本无法工作，因为大气不够干燥，”密歇根州立大学东兰辛分校的机械工程师詹姆斯·克劳斯纳（James Klausner）说，他在布兰兹之后担任ARPA-E项目主管，并资助了该领域的一些提案。但他说，这并不过于令人沮丧，因为效果良好的地区是西南美国或中东等干旱地区，这些地区对空调的需求很高。

另一个挑战是，辐射冷却系统可能会增加冬季的供暖成本。为了解决这个问题，桑塔莫里斯正试图在超酷材料的顶部引入一层液体层，当温度降到足够低时，液体层会冻结。一旦液体凝固，辐射就无法再逃逸到太空，因此冷却效果被切断。去年10月，曼达尔和杨报告了另一种阻止过度冷却的方法。如果他们用异丙醇填充聚合物涂层的孔隙，则涂层开始捕获热量而不是散发热量。这可以通过吹空气穿过孔隙使其干燥来逆转。

还有另一个问题：只有当材料能够将其辐射直接发送到太空的冷散热器时，才能实现超酷冷却。在城市环境中，建筑物、人和物体可能会挡住去路，吸收热量并重新释放出来。目前性能最佳的材料以约100 Wm-2的速率去除热量。甘和于希望通过将薄膜垂直于屋顶放置，使排放物可以从两个表面逸出，从而使该速率翻倍。但这将需要在薄膜周围添加能够将排放物反射到天空中的材料。

研究人员正在寻找其他方法来提高材料的冷却能力。去年10月，马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的伊芙琳·王（Evelyn Wang）及其同事报告说，在智利干燥的阿塔卡马沙漠中午，用轻质绝缘气凝胶覆盖辐射冷却薄膜可使结构保持比周围环境低13°C的温度，而没有气凝胶时仅为1.7°C。她说，气凝胶概念可以与其他超酷材料一起使用。

从实际角度来看，将超酷材料用于地球工程以缓解全球变暖的梦想似乎还很遥远，而且不太可能实现。去年9月，蒙代使用“粗略计算”表明，可以通过用现有材料覆盖地球表面1-2％的面积来平衡当前的气温上升，这些材料在白天产生约100 Wm-2的冷却能力。但气候科学家马克·劳伦斯（Mark Lawrence）说，由于太阳能电池板经过数十年的发展仍未达到如此高的覆盖率，因此这项新兴技术似乎不可能及时做到这一点以发挥作用。正如任何地球工程提案一样，蒙代承认扰乱降水模式和当地气候可能造成的意外后果——于尔格-沃萨茨也认为这很可能成为一个问题。

拉曼说，尽管如此，被动辐射冷却可能有很多好处（参见“夜间发电，白天取水”）。例如，它可以帮助防止太阳能电池板随着温度升高而降低效率。殷说，即使所有电力生产和转换过程都使用可再生能源而不是化石燃料，也会产生废热。“这是唯一一种利用所有这些浪费的热量并将其倾倒回太空的技术，”他说。

夜间发电，白天取水

将地球热量排放到太空的材料可能具有意想不到的应用。例如，它们可以使白天更容易从大气中收集水分。在夜晚，水蒸气会在向晴朗夜空散热的表面上凝结成露水，这种效应几个世纪以来一直被用于收集水分。威斯康星大学麦迪逊分校的于宗福和纽约州立大学布法罗分校的甘巧强发现，涂有聚二甲基硅氧烷的铝膜不仅可以保持凉爽，还可以在白天增强水分凝结12。两人在布法罗成立了一家名为Sunny Clean Water的公司，以将该设备商业化。

超酷材料与其周围环境之间的温差也可以用于在夜间发电——这与仅在白天工作的太阳能电池板不同。去年9月，加利福尼亚州斯坦福大学的Aaswath Raman、Shanhui Fan和Wei Li设法从这样一种夜间设备中产生了涓涓细流的电力——每平方米几毫瓦13。这表明，至少有可能在夜间产生足够的电力来为小型LED供电。科罗拉多州博尔德市的技术顾问霍华德·布兰兹说，这是一个令人兴奋的概念验证。但是，来自太阳能电池板的电力可以存储在电池中以产生更大的电流，因此目前尚不清楚这个想法是否会有效。

本文经许可转载，并于2019年12月31日首次发表于《自然》杂志。