出品：科普中国
作者：林昊（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。
在炎炎夏日，人们常常渴望在凉爽宜人的空调房中休息，以逃离酷暑的侵扰。然而，像空调等制冷设备需耗费大量能源，这无疑加剧了温室气体的排放，进而推动了全球变暖的进程。
面对传统制冷设备带来的能源消耗和温室气体排放问题，科学家们开始将目光投向了一种古老而又新颖的制冷方式——辐射制冷技术。这一技术与许多我们熟知的自然现象，例如霜冻、结露等，有着密切的关系。
像太阳一样，地球也可以对外太空“散热”
传热机制总共有三种，分别是：热传导、热对流和热辐射。
辐射制冷技术就是一种利用自然界的热辐射现象来实现制冷的技术。想象一下，晴天的时候，你站在阳光下会感觉到热，这是因为太阳通过热辐射把热量传递给了你。反过来，如果我们能让物体把热量辐射出去，不就能实现制冷了吗？但是，物体并不能把热量辐射到任何地方，它们需要找到一个“出口”。这个“出口”就是大气透明窗口。大气透明窗口就像是天空中的一个小洞，它允许特定波长的光线（8至13微米的红外线）自由地通过，而不被大气层吸收或反射。这个窗口的存在，使得地球上的物体能够向寒冷的外太空辐射热量。
你可能会问，为什么物体要选择这个窗口来辐射热量呢？这就涉及到黑体辐射的概念了。黑体辐射是指一个理想物体——黑体，由于其温度而发出的电磁辐射，这种辐射的强度和波长分布仅取决于物体的温度，不受其他因素影响。而300K（K是开氏度也就是大约27摄氏度）左右的物体，其黑体辐射的峰值正好落在了8至13微米的范围内。也就是说，这个温度下的物体最容易通过这个窗口把热量辐射出去。而且，这个过程是完全不需要消耗能量的。辐射制冷就是这样一种被动制冷技术，它利用物体自身的热辐射特性，将热量以红外线的形式散发到寒冷的外太空中，既环保又节能。
任何面向天空的地球表面，如果能够增加在大气窗口中的辐射，向寒冷的外太空辐射热量，就能实现低于环境温度的自然制冷。辐射制冷这种无需任何电力支持的被动制冷策略，有助于缓解能源短缺和温室效应等环境问题。
与水平面相比，竖直面的自然降温更有难度
近年来，日间辐射制冷技术取得了显著的发展。
想象一下，在夏日炎炎的正午时分，面对太阳光直射强度高达1000 W/m2时（这个强度相当于把生鸡蛋打到水泥地上，大约15到20分钟内鸡蛋就能被烫熟），如果能通过使用热光子学原理设计的辐射制冷器，让某个人们日常可以接触到的表面的温度比周围环境的空气温度还要低5-10℃，那将为酷暑的夏日带来诸多的“小确幸”。
迄今为止，大多数关于白天辐射制冷的研究主要集中在能直接朝向天空的表面，比如建筑物的屋顶。但在实际应用中，还有很多需要制冷的对象，诸如建筑物的外墙、车辆的车身以及纺织品等，它们的大部分外表面其实是竖直的。若让建筑外墙、汽车等竖直表面自身在日间辐射中制冷，有助于减少对传统空调系统的依赖，推动建筑节能和汽车热管理等领域的发展。这就意味着，研发一种适用于竖直表面的日间辐射制冷技术，具有非常重要的实际意义。
夏日里，当我们漫步于马路上时，常常会感受到一股热浪扑面而来，这正是地面向外辐射能量的直观体现。**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，还要尽可能提升大气窗口波段的热发射，并且设法去避免被高温地面所加热，从而确保制冷效果的最大化。
尽管近年来国际上一些研究团队尝试调控热辐射的光谱或角度，但竖直表面的日间亚环境（指在白天条件下，某个物体或表面的温度低于周围环境温度的状态）辐射制冷仍然面临着巨大的挑战。
我们实现了新的技术突破！
近期，经过我们团队（中国科学院长春光机所的李炜研究员团队）与合作伙伴共同努力，在热光子学领域取得了显著进展，巧妙地实现了热辐射角度与光谱在不同波段上的协同控制，并据此设计具有跨尺度对称破缺性、角度非对称光谱选择性的定向发射器件——AS发射器件，使得竖直表面在白天也能实现低于环境温度的辐射制冷。
这一研究成果被命名为《Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces》，并在《Science》杂志上发表，同时获得了三项专利授权。
研究成果发表于《Science》
（图片来源：官网截图）
该工作不仅突破了竖直表面日间亚环境辐射制冷的技术难关，也对辐射制冷的实际应用具有重大意义，同时提高了热辐射角度与光谱在跨波段上的协同调控能力，为热光子学的操控领域开辟了新的道路。
这是长春光机所以第一单位身份在《Science》上发表的首篇文章，也是继《Nature》上发表关于光子学角度与光谱协同调控的高维光场信息感知工作的研究成果后，我们团队（李炜研究员团队）取得的又一重大突破。
AS发射器件怎么解决竖直面的散热问题？
研究团队设计的AS发射器件，打破了传统全向辐射的局限性，采用角度非对称光谱选择性的设计来减少竖直表面制冷中的热量交换。
全向宽带发射器件和角度非对称光谱选择性发射器件在竖直表面的辐射换热过程
（图片来源：参考文献1）
**AS发射器件的核心创新在于特殊的锯齿光栅结构，这种结构打破了镜面对称性，为热辐射提供了角度非对称的特性。**锯齿光栅的倾斜表面覆盖了一层Ag（银）层，能有效阻挡太阳光进入锯齿光栅内部，**减少因多次反射造成的太阳光吸收，抑制来自地面的热辐射。**而横向表面则覆盖有SiN（氮化硅）层，这层材料能向天空发射光谱选择性的热辐射。
AS发射器件的设计示意图
（图片来源：参考文献1）
为了进一步提升太阳光谱的反射率，研究人员在锯齿结构表面覆盖了一层多孔聚乙烯薄膜（nanoPE），其孔隙尺寸在0.3μm至1μm之间，对紫外-可见光（UV-VIS）具有强散射作用，同时对中红外（mid-IR）几乎无散射效应。**这层薄膜与Ag层结合，能在整个太阳光谱范围内产生强烈的反射效果。**同时，nanoPE薄膜在红外波段的散射效率极低，确保了其较高的红外透射率以及AS发射器的角度非对称光谱选择性辐射特性。
不同直径聚乙烯空气孔在0.3 ~ 20μm波长范围内的散射效率（其中E是入射光的电场；K是入射光的波矢量）
（图片来源：参考文献1）
AS发射器的制冷效果如何？我们进行了测试
为了证明AS发射器在辐射冷却方面的有效性，研究团队进行了两项实验。首先，我们使用了一个定制的真空室，内部维持在-13℃的冷背景，并内置了一个加热器。在加热器温度分别升至48.9℃、73.3℃、96.9℃时，与全向宽带热发射器相比，AS发射器的温度分别低14.1℃、19.8℃、25.6℃。这一结果表明，在相同条件下，AS发射器能够实现更低的温度，从而展现了其在定向辐射冷却方面的显著优势。
真空环境下竖直方向AS发射器的辐射制冷性能对比
（图片来源：参考文献1）
其次，研究团队在北京晴朗的夏季阳光下对AS发射器件进行了24小时连续的室外温度测试。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发射器仍然保持约2.5℃的亚环境辐射制冷性能，且与常规高性能辐射制冷器件（硅-聚合物混合辐射冷却器）和商用白漆相比，制冷性能还分别低4.3℃和8.9℃。
商用白漆、硅-聚合物混合辐射冷却器、AS发射器户外辐射制冷性能对比测试
（图片来源：参考文献1）
为进一步验证AS发射器的实用性，研究人员还特别关注了建筑物间热辐射的影响，特意让所有发射器都朝向正午时分温度最高的南向墙壁。得益于AS发射器的角度与光谱协同调控能力，通过改变锯齿光栅的宽高比，来调控热辐射的发射角度范围。这样一来，即便在建筑物间存在热辐射的情况下，AS发射器依然能够实现低于环境温度的辐射制冷。
实验结果显示，其表面温度比常规高性能辐射制冷器件和商用白漆分别低3.5℃和4.6℃。除了以上实验验证，研究还从理论上分析了考虑建筑间热辐射时，制冷功率的理论极限。
考虑建筑之间热辐射影响的实验与理论分析
（图片来源：参考文献1）
结语
总的来说，这项研究攻克了竖直表面的日间亚环境辐射制冷的难题，在辐射制冷技术和节能减排领域取得了重大进展。它不仅提升了热辐射角度与光谱的协同调控能力，还展现了热光子学操控的新境界，为高效冷却、加热、能量传输及空间光学系统的热控制等创新应用开辟了新道路。
我们还将继续努力，进一步优化AS发射器的设计，以适应更多应用场景。并探索与新型材料和加工技术的结合，以提升其性能，实现规模化和低成本化。
展望未来，我们期待这项技术能够在高层建筑、交通工具等领域得到广泛应用。想象一下，AS发射器被巧妙地融入高层建筑的外墙材料中，通过精确调节建筑表面的热辐射特性，实现被动地降低室内的温度。这不仅将大幅降低空调系统的能耗，还能显著提升居住和工作的舒适度，同时也有助于缓解城市热岛效应。同样，汽车、火车和飞机等交通工具如果搭载了AS发射器技术，也将有效降低运行过程中的热负荷，提高能源利用效率，为节能减排事业作出重要贡献。
我们有理由相信，随着这项技术的不断发展和完善，它将为人类创造更加绿色、可持续的未来！
参考文献：
1.Fei Xie et al.，Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces.Science386，788-794(2024).
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