熱skr人了啦，這種科技重新定義夏天！

夏天熱浪襲人，在炎炎夏日保持清涼，不僅對人體的舒適性至關重要，也會影響到一系列家用和工業設備的正常運行。躲進空調屋中避暑是不二選擇，你是不是也開啟了“空調宅“模式，回家吹空調，出門找空調......簡直想和空調綁在一起！不過很多人卻因此惹來很多毛病，比如：風濕、感冒、咽炎等空調病；同時，這需要消耗大量電能，其中使用的制冷劑也具有很強的溫室效應。如果面對40多度的高溫體感溫度沒有了空調，我還真不敢想象應該怎么辦，不過聰明的科學家們總是能創造出神奇的材料可以用來降溫避暑。

近幾年由于納米光學和超材料的研究，輻射冷卻技術在歐洲大陸已 經得到了實際工程的應用。輻射冷卻是指物體通過反射太陽光和輻射散去熱能的過程，不需要損耗電能就能實現環境的被動降溫，該技術取消了傳統的空調系統末端裝置。我們看一下近期相關研究，希望帶給大家帶來一絲絲清涼。

1、日間輻射式冷卻的實際應用設計｜Joule

天空輻射制冷(Sky Radiative Cooling)的實際應用需要對系統進行深思熟慮的設計，同時要清楚地了解天氣對系統性能的影響。美國科羅拉多大學博爾德分校的楊榮貴和尹曉波教授團隊和懷俄明大學的譚剛教授團隊合作開發一種在可大規模制造的低成本輻射冷卻超材料為基礎，探索輻射冷卻在天空中的應用。研制了一種輻射冷卻-集冷(RadiCold)模塊，實現了第一個可全天連續運行的千瓦級輻射制冷系統，并提出了輻射制冷與建筑結合的24h全天連續運行具體方案。試驗結果顯示輻射制冷模塊在白天可將水溫降至比環境溫度平均低10.6 °C，在夜間可將水溫降至比環境溫度低約11 °C。并且研究了不同天氣條件(風速、可降水量、云量)對輻射制冷性能的影響。對一個5000 m²的商業建筑進行了制冷能耗模擬計算，結果顯示針對緯度較低地區的3個不同城市（Phoenix, Houston, Miami），該系統在冬季可以降低64-82%的制冷能耗，在夏季可以降低32-45%的制冷能耗。隨著21世紀制冷需求的急劇增加，這項工作為在不久的將來促進輻射式空冷節能、節水和更高效的發電鋪平了道路。相關研究以“Subambient Cooling of Water: Toward Real-World Applications of Daytime Radiative?Cooling”為題目發表在Joule上。

文章鏈接：Joule 3, 111–123, January 16, 2019.

圖1?RadiCold制冷系統模擬圖

2、超級冷卻木材：新型輻射冷卻結構材料｜Science

減少人類對空調等低能效制冷方法的依賴，將對全球能源格局產生重大影響。通過對木材進行完全脫木素和致密化處理，馬里蘭大學胡良兵和科羅拉多大學波爾得分校尹曉波團隊研制出一種工程材料，其中的纖維素納米纖維反向散射太陽輻射，并在中紅外波長中發射出強烈的輻射，可在夜間和白天連續的亞環境冷卻。通過模擬了木材冷卻的潛在影響，發現節省的能源在20%到60%之間，這在炎熱和干燥的氣候中最為明顯。冷卻木材具有良好的白度，不吸收可見光，這是由于纖維素纖維的光學損耗低和材料的無序光子結構造成的。在冷卻木材的紅外范圍內釋放的能量超過了接收到的太陽能。通過對暴露在天空中的天然木材和冷卻木材樣品的實時溫度測量，證實了這種冷卻效果。降溫木材在夜間和白天的平均冷卻功率分別為63 W/m²和16 W/m²。全天的平均冷卻功率為約50 W/m²。夜間和白天分別能夠實現平均低于環境溫度>9 ℃和>4 ℃的降溫。此外，冷卻木材的韌性是天然木材的10.1倍，機械強度為404.3兆帕斯卡，是天然木材強度的8倍以上。冷卻木材固有的輕量化特性使其強度是廣泛使用的Fe-Mn-Al-C結構鋼的三倍。同時，這種多功能、可伸縮的冷木材料為未來的節能和可持續建筑應用帶來了希望，能夠大幅減少碳排放和能源消耗。相關研究以“A radiative cooling structural material”為題目發表在Science上。

文章鏈接：Science?364 (6442), 760-763,?2019.

圖2?冷卻木材結構及日間輻射冷卻

3、可穿戴，用于溫度調節的個性化熱電材料｜Science?Advances

溫度調節對能源消耗、人體舒適度和健康有著重要的影響。然而，一個多世紀以來，冷卻技術基本上沒有改變，而且仍然依賴于整個空間的冷卻，而不管居住者的數量。熱電裝置的個性化熱調節可以顯著降低制冷量，滿足個人的冷卻需求，但由于缺少具有可持續的高冷卻性能的柔性熱調節裝置，目前還沒有實現。美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校的陳仁坤、徐升等研究者展示了一種可穿戴的電子器件（TED），它可以提供超過10°C的冷卻效果，并具有很高的性能系數(COP > 1.5)。由于在雙層彈性體之間加入剛性無機高熱電優值（ZT）的熱電（TE）柱，以及空氣絕緣絕熱層的新穎設計，該TED是第一個實現長期高柔性主動冷卻的產品。此外，TED沒有使用散熱器的情況下，可以達到了10℃以上的大降溫效果，為人體熱舒適提供了充足的溫度調節。將TEDs集成到一件可穿戴的服裝中，展示了對人體皮膚的長期、節能的降溫和加熱效果:當環境溫度在22℃到36℃之間變化，衣服可保持皮膚在32℃的舒適溫度。與傳統的集中空間冷卻方式相比，TED和自動化的冷卻能力為個性化冷卻提供了巨大的節能潛力。基于這些設備的溫度調節可以實現從集中式制冷向個性化制冷的轉變，從而大大降低能源消耗，提高人體舒適度。這項工作中開發的基于TED的可穿戴服裝可能會革新用于建筑物和車輛氣候控制的冷卻技術。相關研究以“Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation”為題目發表在Science?Advances上。

文章鏈接：https://science.sciencemag.org/content/364/6442/760

圖3?TED設計制造流程

4、紡織品中紅外輻射的動態門控｜Science

人體主要通過以10um波長為中心的紅外輻射吸收和散發熱量。然而，無論是我們的皮膚，還是構成服裝的紡織品，都無法動態地控制這個光通道來進行熱管理。馬里蘭大學王育煌、歐陽敏團隊通過在三乙酸纖維素雙晶纖維表面涂覆一層薄碳納米管的設計制成紡織品，隨著皮下相對濕度的變化，可有效地調節35%以上的紅外輻射。實驗和模擬結果表明，這種動態紅外門控效應主要是由相鄰涂層纖維之間的電磁耦合引起的。在炎熱和潮濕的條件下，織物中的紗線發生變形并緊密地結合在一起，縮小了紗線中導電材料之間的距離，增強了導電材料之間的電磁耦合，產生共振電磁耦合效應，使紡織品的輻射率更好地匹配人體的熱輻射，允許紅外輻射通過。同時，紗線的收緊直接提高了紡織品的孔隙率，有利于人體和環境之間的對流和蒸發等傳統的熱交換，協同增強了智能織物的紅外輻射“門控”效應。當外界條件變得更涼爽和干燥時，織物中的紗線以相反的方式對環境做出響應，阻擋人體熱量的散失。這一效應為開發自主、自供電的可穿戴局部熱管理系統開辟了道路，并擴大了我們適應苛刻環境的能力。相關研究以“Dynamic gating of infrared radiation in a textile”為題目發表在Science上。

文章鏈接：Science, 363 (6427), 619-623, 2019.

圖4?紅外門控紡織品的設計原則

5、聚合物涂層的高效日間輻射冷卻｜Science

輻射冷卻通過反射太陽光和向外層空間輻射熱量，自發地冷卻表面。目前的設計有望是電氣冷卻的替代品，但目前的技術要么效率低下，要么適用性有限。美國哥倫比亞大學虞南方和楊遠團隊報道了提出了一種簡單、廉價、可伸縮的多級多孔聚合物：聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物涂層的制備方法，可以實現高效的輻射冷卻。[P(VdF-HFP)HP]涂層具有優異的輻射冷卻性能。高的半球太陽反射率(0.96±0.03)和長波紅外發射率(0.97±0.02)允許在太陽強度分別為890和750 W m^?2的情況下，涂層使室內環境溫度下降6°C左右，冷卻功率96W m^?2，性能相當于或超過了最先進的輻射冷卻設計，并且該技術提供了簡單的制備方法。這種多孔薄膜中，聚偏二氟乙烯與空氣折射率相差很大，可有效散射陽光，包括紫外光、可見光和近紅外光，從而實現高反射率，不會被陽光加熱；微米多孔結構提高了材料的輻射率，增加了向外的熱輻射。此外，這種涂層可以通過類似刷墻的方式進行施工，對于實際應用極具吸引力。可以采用刷涂、浸涂、噴涂等各種工藝，也適用于金屬、木材、塑料凳多種基材。相關研究以“Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling”為題目發表在Science上。

文章鏈接：Science, 362(6412), 315-319, 2019.

圖5?P(VdF-HFP)HP的形成及光學性質

6、隔熱、發電的半透明光伏窗戶薄膜｜Joule

半透性有機光伏(ST-OPV)因其與建筑窗戶的融合潛力而受到廣泛關注。在此，華南理工大學葉軒立教授聯合黃飛教授提出了一種具有雙重功能的ST-OPV器件，該器件不僅具有高效的光電轉換效率，而且在隔熱方面也非常有效。通過引入增強近紅外吸收的非富勒烯受體，在保持近紅外光高反射率的同時，選擇性地提高可見光的透射率，從而實現ST-OPV產生超過6%的功率轉換效率，高可見光透射率超過25%，紅外輻射抑制率超過80% 。研究結果表明，通過合理設計ST-OPV，不僅可用于太陽能發電，還可用于遮陽和隔熱，為OPV的節能降耗開辟了新的應用前景。開發的高性能的半透明有機太陽能電池，可用于發電和隔熱窗膜。此外，有效地阻擋紅外光，使半透性器件具有良好的隔熱性能，已滿足商業要求。通過使用定制的DBR進一步優化ST-OPV的光學設計，我們展示了更好的散熱性能，同時保持了類似的可見光透明度和光伏性能。這項工作中提出的新設計理念有望為開發多功能、高效的半透性有機太陽能電池開辟一條新途徑，這將大大增強它們在未來各種應用中的集成能力。相關研究以“

Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells”為題目發表在Joule上。

文章鏈接：Joule 2, 1816–1826, 2018.

圖6?半透明光伏窗戶薄膜的設計

7、可伸縮的玻璃-聚合物混合超材料｜Science

被動輻射冷卻從表面吸收熱量，并將其作為紅外輻射輻射到大氣中。然而，太陽輻照度與近環境溫度表面的低紅外輻射通量之間的能量密度不匹配，要求材料強烈地發射熱能而幾乎不吸收陽光。美國科羅拉多大學Xiaobo Yin和Ronggui Yang將共振極性介電微球隨機嵌入聚合物基體中，得到了一種對太陽光譜完全透明的超材料，同時在大氣窗口的紅外發射率大于0.93。當背襯銀涂層時，這種超材料在陽光直射下的輻射冷卻功率為93w m^-2。更重要的是，展示了這種超材料的高產量、經濟的卷對卷制造，這對于促進輻射冷卻作為一種可行的能源技術至關重要。相關內容以“Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling”為題目發表在Science上。

文章鏈接：Science, 355(6329), 1062-1066, 2017.

圖7?玻璃-聚合物混合超材料的設計

8、用于人體輻射加熱和冷卻的紡織品｜Science?Advances

維持人體體溫是人類最基本的生存需求之一，維持環境溫度恒定往往需要消耗大量的能量。為了在保持人體熱舒適的同時，擴大環境溫度范圍，近年來通過人體紅外輻射控制，將個人熱管理的概念分別應用于加熱和冷卻紡織品中。在同一種紡織品中實現這兩種相反的功能將是一項令人興奮的科學挑戰和重大的技術進步。斯坦福大學崔屹教授等報道了一種納米聚乙烯（nanoPE）材料，可作為夏天給人體降溫的紅外輻射散熱織物材料，在不需要任何能量輸入的情況下，使用同一塊紡織品進行被動輻射加熱和冷卻。實驗結果表明，只需幾十微米的薄薄一層，就可以實現被動式的輻射換熱，低發射率層朝外時，由于發射率和納米粒子厚度的不對稱特性，可以產生兩種不同的傳熱系數，從而實現低發射率層朝外時的加熱和高發射率層朝外時的由內而外的磨損冷卻。這項發明的數值擬合進一步預測了雙模紡織品舒適區擴大14.7℃之多，從而是人體在很大溫度范圍內都可以保持舒適。相關研究以“A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling”為題目發表在Science?Advances上。

文章鏈接：Sci. Adv. 2017; 3: e1700895,?2017.

圖8?雙模紡織品原理圖

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