热skr人了啦，这种科技重新定义夏天！

夏天热浪袭人，在炎炎夏日保持清凉，不仅对人体的舒适性至关重要，也会影响到一系列家用和工业设备的正常运行。躲进空调屋中避暑是不二选择，你是不是也开启了“空调宅“模式，回家吹空调，出门找空调......简直想和空调绑在一起！不过很多人却因此惹来很多毛病，比如：风湿、感冒、咽炎等空调病；同时，这需要消耗大量电能，其中使用的制冷剂也具有很强的温室效应。如果面对40多度的高温体感温度没有了空调，我还真不敢想象应该怎么办，不过聪明的科学家们总是能创造出神奇的材料可以用来降温避暑。

近几年由于纳米光学和超材料的研究，辐射冷却技术在欧洲大陆已 经得到了实际工程的应用。辐射冷却是指物体通过反射太阳光和辐射散去热能的过程，不需要损耗电能就能实现环境的被动降温，该技术取消了传统的空调系统末端装置。我们看一下近期相关研究，希望带给大家带来一丝丝清凉。

1、日间辐射式冷却的实际应用设计｜Joule

天空辐射制冷(Sky Radiative Cooling)的实际应用需要对系统进行深思熟虑的设计，同时要清楚地了解天气对系统性能的影响。美国科罗拉多大学博尔德分校的杨荣贵和尹晓波教授团队和怀俄明大学的谭刚教授团队合作开发一种在可大规模制造的低成本辐射冷却超材料为基础，探索辐射冷却在天空中的应用。研制了一种辐射冷却-集冷(RadiCold)模块，实现了第一个可全天连续运行的千瓦级辐射制冷系统，并提出了辐射制冷与建筑结合的24h全天连续运行具体方案。试验结果显示辐射制冷模块在白天可将水温降至比环境温度平均低10.6 °C，在夜间可将水温降至比环境温度低约11 °C。并且研究了不同天气条件(风速、可降水量、云量)对辐射制冷性能的影响。对一个5000 m²的商业建筑进行了制冷能耗模拟计算，结果显示针对纬度较低地区的3个不同城市（Phoenix, Houston, Miami），该系统在冬季可以降低64-82%的制冷能耗，在夏季可以降低32-45%的制冷能耗。随着21世纪制冷需求的急剧增加，这项工作为在不久的将来促进辐射式空冷节能、节水和更高效的发电铺平了道路。相关研究以“Subambient Cooling of Water: Toward Real-World Applications of Daytime Radiative Cooling”为题目发表在Joule上。

文章链接：Joule 3, 111–123, January 16, 2019.

图1 RadiCold制冷系统模拟图

2、超级冷却木材：新型辐射冷却结构材料｜Science

减少人类对空调等低能效制冷方法的依赖，将对全球能源格局产生重大影响。通过对木材进行完全脱木素和致密化处理，马里兰大学胡良兵和科罗拉多大学波尔得分校尹晓波团队研制出一种工程材料，其中的纤维素纳米纤维反向散射太阳辐射，并在中红外波长中发射出强烈的辐射，可在夜间和白天连续的亚环境冷却。通过模拟了木材冷却的潜在影响，发现节省的能源在20%到60%之间，这在炎热和干燥的气候中最为明显。冷却木材具有良好的白度，不吸收可见光，这是由于纤维素纤维的光学损耗低和材料的无序光子结构造成的。在冷却木材的红外范围内释放的能量超过了接收到的太阳能。通过对暴露在天空中的天然木材和冷却木材样品的实时温度测量，证实了这种冷却效果。降温木材在夜间和白天的平均冷却功率分别为63 W/m²和16 W/m²。全天的平均冷却功率为约50 W/m²。夜间和白天分别能够实现平均低于环境温度>9 ℃和>4 ℃的降温。此外，冷却木材的韧性是天然木材的10.1倍，机械强度为404.3兆帕斯卡，是天然木材强度的8倍以上。冷却木材固有的轻量化特性使其强度是广泛使用的Fe-Mn-Al-C结构钢的三倍。同时，这种多功能、可伸缩的冷木材料为未来的节能和可持续建筑应用带来了希望，能够大幅减少碳排放和能源消耗。相关研究以“A radiative cooling structural material”为题目发表在Science上。

文章链接：Science 364 (6442), 760-763, 2019.

图2 冷却木材结构及日间辐射冷却

3、可穿戴，用于温度调节的个性化热电材料｜Science Advances

温度调节对能源消耗、人体舒适度和健康有着重要的影响。然而，一个多世纪以来，冷却技术基本上没有改变，而且仍然依赖于整个空间的冷却，而不管居住者的数量。热电装置的个性化热调节可以显著降低制冷量，满足个人的冷却需求，但由于缺少具有可持续的高冷却性能的柔性热调节装置，目前还没有实现。美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的陈仁坤、徐升等研究者展示了一种可穿戴的电子器件（TED），它可以提供超过10°C的冷却效果，并具有很高的性能系数(COP > 1.5)。由于在双层弹性体之间加入刚性无机高热电优值（ZT）的热电（TE）柱，以及空气绝缘绝热层的新颖设计，该TED是第一个实现长期高柔性主动冷却的产品。此外，TED没有使用散热器的情况下，可以达到了10℃以上的大降温效果，为人体热舒适提供了充足的温度调节。将TEDs集成到一件可穿戴的服装中，展示了对人体皮肤的长期、节能的降温和加热效果:当环境温度在22℃到36℃之间变化，衣服可保持皮肤在32℃的舒适温度。与传统的集中空间冷却方式相比，TED和自动化的冷却能力为个性化冷却提供了巨大的节能潜力。基于这些设备的温度调节可以实现从集中式制冷向个性化制冷的转变，从而大大降低能源消耗，提高人体舒适度。这项工作中开发的基于TED的可穿戴服装可能会革新用于建筑物和车辆气候控制的冷却技术。相关研究以“Wearable thermoelectrics for personalized thermoregulation”为题目发表在Science Advances上。

文章链接：https://science.sciencemag.org/content/364/6442/760

图3 TED设计制造流程

4、纺织品中红外辐射的动态门控｜Science

人体主要通过以10um波长为中心的红外辐射吸收和散发热量。然而，无论是我们的皮肤，还是构成服装的纺织品，都无法动态地控制这个光通道来进行热管理。马里兰大学王育煌、欧阳敏团队通过在三乙酸纤维素双晶纤维表面涂覆一层薄碳纳米管的设计制成纺织品，随着皮下相对湿度的变化，可有效地调节35%以上的红外辐射。实验和模拟结果表明，这种动态红外门控效应主要是由相邻涂层纤维之间的电磁耦合引起的。在炎热和潮湿的条件下，织物中的纱线发生变形并紧密地结合在一起，缩小了纱线中导电材料之间的距离，增强了导电材料之间的电磁耦合，产生共振电磁耦合效应，使纺织品的辐射率更好地匹配人体的热辐射，允许红外辐射通过。同时，纱线的收紧直接提高了纺织品的孔隙率，有利于人体和环境之间的对流和蒸发等传统的热交换，协同增强了智能织物的红外辐射“门控”效应。当外界条件变得更凉爽和干燥时，织物中的纱线以相反的方式对环境做出响应，阻挡人体热量的散失。这一效应为开发自主、自供电的可穿戴局部热管理系统开辟了道路，并扩大了我们适应苛刻环境的能力。相关研究以“Dynamic gating of infrared radiation in a textile”为题目发表在Science上。

文章链接：Science, 363 (6427), 619-623, 2019.

图4 红外门控纺织品的设计原则

5、聚合物涂层的高效日间辐射冷却｜Science

辐射冷却通过反射太阳光和向外层空间辐射热量，自发地冷却表面。目前的设计有望是电气冷却的替代品，但目前的技术要么效率低下，要么适用性有限。美国哥伦比亚大学虞南方和杨远团队报道了提出了一种简单、廉价、可伸缩的多级多孔聚合物：聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物涂层的制备方法，可以实现高效的辐射冷却。[P(VdF-HFP)HP]涂层具有优异的辐射冷却性能。高的半球太阳反射率(0.96±0.03)和长波红外发射率(0.97±0.02)允许在太阳强度分别为890和750 W m⁻²的情况下，涂层使室内环境温度下降6°C左右，冷却功率96W m⁻²，性能相当于或超过了最先进的辐射冷却设计，并且该技术提供了简单的制备方法。这种多孔薄膜中，聚偏二氟乙烯与空气折射率相差很大，可有效散射阳光，包括紫外光、可见光和近红外光，从而实现高反射率，不会被阳光加热；微米多孔结构提高了材料的辐射率，增加了向外的热辐射。此外，这种涂层可以通过类似刷墙的方式进行施工，对于实际应用极具吸引力。可以采用刷涂、浸涂、喷涂等各种工艺，也适用于金属、木材、塑料凳多种基材。相关研究以“Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling”为题目发表在Science上。

文章链接：Science, 362(6412), 315-319, 2019.

图5 P(VdF-HFP)HP的形成及光学性质

6、隔热、发电的半透明光伏窗户薄膜｜Joule

半透性有机光伏(ST-OPV)因其与建筑窗户的融合潜力而受到广泛关注。在此，华南理工大学叶轩立教授联合黄飞教授提出了一种具有双重功能的ST-OPV器件，该器件不仅具有高效的光电转换效率，而且在隔热方面也非常有效。通过引入增强近红外吸收的非富勒烯受体，在保持近红外光高反射率的同时，选择性地提高可见光的透射率，从而实现ST-OPV产生超过6%的功率转换效率，高可见光透射率超过25%，红外辐射抑制率超过80% 。研究结果表明，通过合理设计ST-OPV，不仅可用于太阳能发电，还可用于遮阳和隔热，为OPV的节能降耗开辟了新的应用前景。开发的高性能的半透明有机太阳能电池，可用于发电和隔热窗膜。此外，有效地阻挡红外光，使半透性器件具有良好的隔热性能，已满足商业要求。通过使用定制的DBR进一步优化ST-OPV的光学设计，我们展示了更好的散热性能，同时保持了类似的可见光透明度和光伏性能。这项工作中提出的新设计理念有望为开发多功能、高效的半透性有机太阳能电池开辟一条新途径，这将大大增强它们在未来各种应用中的集成能力。相关研究以“

Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells”为题目发表在Joule上。

文章链接：Joule 2, 1816–1826, 2018.

图6 半透明光伏窗户薄膜的设计

7、可伸缩的玻璃-聚合物混合超材料｜Science

被动辐射冷却从表面吸收热量，并将其作为红外辐射辐射到大气中。然而，太阳辐照度与近环境温度表面的低红外辐射通量之间的能量密度不匹配，要求材料强烈地发射热能而几乎不吸收阳光。美国科罗拉多大学Xiaobo Yin和Ronggui Yang将共振极性介电微球随机嵌入聚合物基体中，得到了一种对太阳光谱完全透明的超材料，同时在大气窗口的红外发射率大于0.93。当背衬银涂层时，这种超材料在阳光直射下的辐射冷却功率为93w m^-2。更重要的是，展示了这种超材料的高产量、经济的卷对卷制造，这对于促进辐射冷却作为一种可行的能源技术至关重要。相关内容以“Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling”为题目发表在Science上。

文章链接：Science, 355(6329), 1062-1066, 2017.

图7 玻璃-聚合物混合超材料的设计

8、用于人体辐射加热和冷却的纺织品｜Science Advances

维持人体体温是人类最基本的生存需求之一，维持环境温度恒定往往需要消耗大量的能量。为了在保持人体热舒适的同时，扩大环境温度范围，近年来通过人体红外辐射控制，将个人热管理的概念分别应用于加热和冷却纺织品中。在同一种纺织品中实现这两种相反的功能将是一项令人兴奋的科学挑战和重大的技术进步。斯坦福大学崔屹教授等报道了一种纳米聚乙烯（nanoPE）材料，可作为夏天给人体降温的红外辐射散热织物材料，在不需要任何能量输入的情况下，使用同一块纺织品进行被动辐射加热和冷却。实验结果表明，只需几十微米的薄薄一层，就可以实现被动式的辐射换热，低发射率层朝外时，由于发射率和纳米粒子厚度的不对称特性，可以产生两种不同的传热系数，从而实现低发射率层朝外时的加热和高发射率层朝外时的由内而外的磨损冷却。这项发明的数值拟合进一步预测了双模纺织品舒适区扩大14.7℃之多，从而是人体在很大温度范围内都可以保持舒适。相关研究以“A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling”为题目发表在Science Advances上。

文章链接：Sci. Adv. 2017; 3: e1700895, 2017.

图8 双模纺织品原理图

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