从二维到三维，无能耗制冷新策略_风闻

空调等制冷设备工作时耗费大量能源，加剧温室气体排放。因此，探索一种无需能源消耗的有效制冷方式尤为重要。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所同合作者探索了一种竖直表面的日间低于环境温度的辐射制冷新策略。研究成果发表于国际学术期刊《科学》。

▲全向宽带发射器件和AS发射器件在竖直表面的辐射换热过程

01

低于环境温度的辐射制冷

早在古代，人们便已开始巧妙地利用夜晚沙漠的低温来制冰。这一做法实际上是物体向寒冷的外太空辐射热量，实现低于环境温度的自然制冷。

因为大气在8-13微米波段有一个透明窗口，允许特定波长的辐射自由通过，而不被大气层吸收或反射。**这种辐射制冷技术无需电力支持，有助于缓解能源短缺和温室效应等问题。**然而，在制冷需求最大的日间，由于太阳的存在，实现辐射制冷更具挑战。

2014年，科研人员利用光子结构来设计材料的光谱特性，首次实现了日间的辐射制冷。此后，辐射制冷技术取得了显著进步。

迄今为止，大多数关于日间辐射制冷的研究都聚焦于直接朝向天空的表面，如建筑物的屋顶。在实际应用中，诸如建筑物外墙、车辆车身以及纺织品等需要制冷的对象，其大部分外表面往往是竖直的。因此，发展竖直表面的日间辐射制冷技术格外重要。

02

竖直表面日间辐射制冷新策略

与水平面的辐射制冷技术相比，竖直面的辐射制冷技术面临着更为复杂的挑战。它不仅要有效减少太阳光谱的吸收，还要尽可能通过大气透明窗口向宇宙辐射热量，并且必须设法避免被高温地面加热，从而确保制冷效果最大化。

针对上述问题和挑战，科研人员设计了一种角度非对称光谱选择性的定向发射器件（AS发射器）。其不仅具备高效反射太阳光的能力，而且能够巧妙减少吸收来自大气和高温地面的热辐射，从而实现低于环境温度的制冷效果。

▲AS发射器的结构示意图

该研究从三个关键方面协同设计：太阳反射率、大气透明窗口内的光谱选择性，以及热辐射的角度非对称特性。利用跨尺度对称破缺结构，科研人员实现了热辐射在空间角度上的非对称分布以及在光谱上的选择性调控。

该发射器具有打破镜面对称性的锯齿光栅结构，其倾斜表面最外侧的Ag层可以有效抑制地面发射的热辐射，而其横向表面上的SiN层可以向天空发射光谱选择性热辐射，从而实现热辐射在空间角度上的非对称分布以及在光谱上的选择性调控。

为了进一步提高发射器在太阳光谱的反射率，科研人员将一层孔隙尺寸为0.3-1μm的多孔聚乙烯薄膜（nanoPE）覆盖在锯齿结构表面。Ag层和nanoPE薄膜相结合，可以在整个太阳光谱范围内产生强烈反射。与此同时，nanoPE薄膜在红外波段具有可以忽略不计的散射效率，确保了其较高的红外透射率以及AS发射器在空间角度上非对称分布的辐射特性。

03

全天低于环境温度的制冷性能

通过在晴朗的夏季进行24小时连续室外温度测试，研究人员发现在一整天中，AS发射器的表面温度始终低于环境温度。即使在炎热的正午，AS发射器仍然保持低于环境温度约2.5°C的辐射制冷性能，显示出辐射制冷技术的应用潜力。科研人员还展示了AS发射器在任意朝向下始终保持低于环境温度的辐射制冷性能。

▲户外辐射制冷性能测试

该研究攻克了竖直表面日间低于环境温度的辐射制冷难题，促进了辐射制冷技术从二维水平面向三维真实环境的拓展，显著扩大了有效制冷面积，对辐射制冷技术的实际应用及节能减排具有重要意义。