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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

  

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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.




  

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