新涂料可有效降低任意表面温度

科学家开发高效的日间制冷材料。照片来源:JYOTIRMOY MANDAL

根据我们的报纸，希腊和其他阳光充足的国家的房子经常被漆成白色以反射尽可能多的阳光。现在，研究人员正在用一种新的“被动辐射冷却”材料来重新解释这一古老的策略，以减少阳光和热量。这些技术中的大多数都不能利用现有的屋顶和墙壁，但是一个美国研究小组现在已经生产出一种可以覆盖任何表面的冷却涂层，可以将温度降低大约6摄氏度。这种新型涂料可以直接涂在任何纹理物体的表面，也可以与不同的颜料结合，呈现不同的颜色。[科学报道]

科罗拉多大学博尔德分校的材料科学家尹晓波说，这一进展凸显了“这一领域的巨大进步”。他的团队开发了一种被动辐射冷却塑料薄膜，并成立了一家名为Radi-Cool的初创公司将其商业化。尹说，在特定的气候条件下，这些新材料可以降低15%的冷却成本。“这是一个很大的数字。”他说。在美国，17%的住宅用电用于空调，因此节省的费用可能是巨大的。

白色涂料通常只反射约80%的可见光，但它们仍然能吸收紫外线和近红外线，而紫外线和近红外线能加热建筑物。为了做得更好，新材料必须首先结合能反射几乎所有太阳光的材料或结构，包括近红外线，在某些情况下甚至包括紫外线。此外，它们还需要含有聚合物或其他物质，以便利用它们的化学成分来散发8至13微米波长的额外热量。大气不会阻挡这些波长的辐射，因此这种材料可以有效地将多余的热量释放到太空中，而不会加热周围的空气。

2014年，由加州帕洛阿尔托斯坦福大学电气工程师范善辉领导的一个研究小组在《自然》杂志上报道说，通过含有二氧化硅和二氧化铪的交替层，他们创造了一个高反射率的表面，比周围空气温度低5摄氏度。去年，范和他的同事使用了另一种材料--聚合物和银膜的组合--来冷却空调用水。该团队表示，这项技术可以在夏季节省21%的空调成本。从那以后，范的团队建立了自己的初创公司天冷系统。

尹(音译)和他的同事杨(音译)去年做了另一项研究:嵌入微小玻璃珠的塑料薄膜可以将表面温度降低10摄氏度。在澳大利亚，悉尼科技大学的应用物理学家安格斯·温柔和杰夫·史密斯在2015年报告说，由两种聚合物制成的凉爽屋顶材料可以使屋顶在中午和晚上分别比周围空气温度低3摄氏度和6摄氏度。

然而，在将这些涂料应用于屋顶和壁板材料时仍然存在问题。高反射化合物可以整合到传统的木瓦和粘土砖中，用于新建筑或翻新。但是对于现有的建筑来说，有更多的选择就更加困难了。

这是使用新的被动冷却涂层的地方。

哥伦比亚大学应用物理与应用数学系的袁洋和余南方团队在美国《科学》杂志最新一期上发表的一篇论文中称，他们开发的新材料是一种多尺度微纳多孔结构“聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物”。由这种材料制成的薄膜在太阳光波段具有96%至99.6%的高反射率，在红外辐射窗口具有97%的高发射率，并且可以在白天实现无电能制冷。

测试结果表明，在光照充足的干燥环境中，薄膜的表面温度可以比环境温度低大约5.9摄氏度。在潮湿的环境中，薄膜温度可以比环境温度低大约2.9摄氏度。

据介绍，聚偏氟乙烯在这种多孔膜中的折射率与空气的折射率相差很大，空气可以有效地散射太阳光，包括紫外光、可见光和近红外光，从而实现高反射率且不被太阳光加热。微米多孔结构提高了材料的发射率并增加了向外的热辐射。

据了解，以前制备类似的功能材料需要复杂的真空沉积设备，并且很难直接覆盖任何形状和纹理的物体的表面。该新材料具有成本低、适用性强等优点，可直接涂覆在塑料、金属、木材等任何表面。

杨说，建筑的表面往往需要色彩。这种材料可以与颜料结合，在反射太阳光的近红外光的同时呈现不同的颜色。与传统涂料相比，它能显著降低建筑物的温度。

"它看起来非常适合广泛应用."温柔的说道。加州劳伦斯伯克利国家实验室的屋顶冷却专家罗尼·莱文森说，这种新涂料的价格大约是传统涂料的五倍。但是成本的增加带来了好处。温柔说:“所有这些凉爽的涂层使中午像夜晚一样凉爽。”(赵茜·Xi)

相关论文信息:doi: 10.1126/science.aav5574

中国科学新闻(2018-10-09第二版国际版)