华裔科学家尹晓波的降温薄膜原理是什么？有没有希望取代空调？ 第1页

1、辐射降温（制冷，冷却）：

辐射降温在实际生活中非常常见。

比如，晚上天气会比较凉，这是因为晚上没有阳光的辐射，但是地球本身还在朝太空辐射散热，所以输出大于输入，就降温了。

再比如，为什么沙漠晚上特别冷，这是因为：一方面，沙漠上云层很薄，保温效果比较差；另一方面，沙子的主要成分是氧化硅（也就是Science文中其主要作用的材料），是很好的辐射散热材料。

再比如，月球没有被太阳晒到的一面，特别冷，可低至-183度，这也是因为没有太阳照射时，月球会向太空辐射热量，而宇宙背景温度为2.73k（约-273度），所以要想达到热平衡，月球的温度要接近-273度。

再比如，人体也部分通过辐射降温，热成像就是根据这个原理设计的。

2、降温薄膜的原理：

考虑一个放在室外爆嗮的物体，它既会辐射热量，也会吸收阳光和大气辐射升温，还会受到热对流和热传导的影响，所以如果要让物体降温，就必须提高其热辐射效率，降低其对阳光的吸收。

有意思的是，大气层刚好在红外有一个窗口（波长为8-13微米），这些红外线可以直接穿过大气层辐射到太空去。

我们知道，太空的温度约为2.725K，（宇宙背景辐射就跟这个温度直接相关），所以太空就像一个低温水池，通过大气窗口，我们就可以把地球上不需要的热量辐射到太空去。

跟空调制冷的区别：空调的降温主要是压缩氟利昂产生冷气，冷气再跟屋内的空气通过热对流和热传导实现降温。而在这篇Science中，主要的方法是热辐射。它的热通过热辐射转移到了太空。

跟空调制冷的相同处：但是辐射降温实际上是因为太空很冷！我觉得两者方法上虽然不同，但是本质上是一样的：把高温物体的热转移的低温物体上。

3、如何做到这一点？

这就需要构造一种材料，可以提高物体的热辐射效率，并且降低物体对阳光的吸收。

物理上，通常一个良好的电磁波吸收物体，也是一个良好的电磁波辐射物体。这里的电磁波辐射是由于黑体辐射效应导致的。

所以，总的来说，实际上是设计一种滤波器，它在红外频段能够有较高的吸收率，在光频段能够有较高的反射率。这正是超材料擅长的地方。

图1、超材料结构示意图。

所以在Science这篇文章中，作者构建了一种超材料，这种材料是由在高分子聚合物中添加一些直径约为8微米的氧化硅（即玻璃）纳米颗粒。

图2、该超材料在8-13微米处有很高的辐射效率。

可以看到这种超材料在红外频段（8-13微米）处有较高的辐射（吸收）效率。

图3、超材料样品图。

当然这种薄膜如果要降温需要在背后镀一层银薄膜，这样才能反射可见光。所以在实际使用中，需要在后面再镀一层银薄膜。

图4、在该薄膜上镀一层银薄膜，太阳光基本被反射，但是该材料仍然可以通过红外辐射实现降温。

4、降温效果

从测量效果看，该超材料在正午太阳直射的时候，其降温功率为93瓦每平方米，应该说非常高，可以大幅度降低房屋降温消耗的能源。但降温效果可能没有新闻中提到的狂降17度那么夸张。

5、优点及存在的挑战

优点：实际上辐射降温的方法早在2014年就已经被斯坦福大学的Shanhui Fan组提出，所以在原理上，该science文章并没有太多的创新之处。其创新点在于，他们的方法可以很容易大规模生产，价格相对便宜，并且制作难度相对以前大幅度降低，这为辐射降温方法走向市场奠定了基础。

存在的挑战：其使用性任然有局限性，这种材料需要保持其干净，如果薄膜上有灰尘或者露珠雨水，其降温效果可能会大大的降低。

参考文献：

Zhai Y, Ma Y, David SN, Zhao D, Lou R, Tan G, Yang R, Yin X. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling. Science. 2017 Mar 10;355(6329):1062-6.

Raman AP, Anoma MA, Zhu L, Rephaeli E, Fan S. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature. 2014 Nov 27;515(7528):540-4.