當商人霍華德·比斯拉（Howard Bisla）受命從經濟崩潰中拯救一家當地商店時，他首先關心的問題之一是能源效率。2018年6月，他聯絡了他在加利福尼亞州薩克拉門託的當地電力供應商，詢問升級照明的事宜。供應商有另一個想法。它提議安裝一個實驗性冷卻系統：即使在烈日炎炎下，面板也能保持比周圍環境更冷的溫度，而且不消耗能源。
鋁背板現在位於商店的屋頂上，其鏡面表面塗有一層薄薄的冷卻膜，並與天空成一定角度。它們冷卻下方管道中的液體，這些管道通向商店，並且與新燈一起，已將電費降低了約15％。“即使在炎熱的一天，它們也不熱，”比斯拉說。
這些面板源於加利福尼亞州斯坦福大學的一項發現。2014年，那裡的研究人員宣佈，他們創造出一種材料，即使在陽光直射下，也能保持比周圍環境更冷的溫度。該團隊的兩名成員，Shanhui Fan和Aaswath Raman，與同事Eli Goldstein一起，創立了一家初創公司SkyCool Systems，並向比斯拉的商店提供了面板。從那時起，他們和其他研究人員製造了許多材料，包括薄膜、噴漆和經過處理的木材，這些材料在高溫下也能保持涼爽。
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這些材料都依賴於增強一種稱為被動輻射冷卻的自然散熱效應。地球上的每個人、建築物和物體都會輻射熱量，但地球的毯狀大氣層會吸收大部分熱量並將其輻射回去。然而，波長在8到13微米之間的紅外線不會被大氣層捕獲，而是離開地球，逃逸到寒冷的太空。早在20世紀60年代，科學家們就試圖利用這種現象進行實際應用。但被動輻射冷卻只有在夜間才明顯：在白天，陽光沐浴在我們身上的熱能遠比我們能傳送到太空的熱能多。
新材料反射了廣泛的光譜，方式與鏡子或白色油漆非常相似。然而，在紅外光譜中關鍵的8-13微米部分，它們強烈吸收然後發射輻射。當材料指向天空時，紅外線可以直接穿過大氣層進入太空。這有效地將材料與一個取之不盡用之不竭的散熱器連線起來，它們可以不斷地向其中傾倒熱量，而熱量不會返回。因此，它們可以輻射出足夠的熱量，始終保持比周圍空氣低幾度的溫度；研究表明，在炎熱乾燥的地方，溫差可能超過10°C。亞利桑那州立大學坦佩分校城市氣候研究中心的負責人大衛·賽勒（David Sailor）將它們稱為超酷材料。
愛好者們說，這些材料不僅可以節省電費，還可以減少隨著世界變暖而對耗電製冷和空調的需求激增。“我相信在四到五年內，白天輻射冷卻系統將成為建築物的首選技術，”澳大利亞悉尼新南威爾士大學的馬修斯·桑塔莫里斯（Mattheos Santamouris）說，他自己也在努力改進此類材料。“它是未來的空調。”
一些研究人員甚至建議，可以將這些材料視為地球工程戰略的一部分，以幫助地球散熱，從而抵消全球氣溫上升。“與其試圖阻擋來自太陽的入射熱，我們能否只是讓地球排放更多熱量？”加州大學戴維斯分校的物理學家傑里米·蒙代（Jeremy Munday）問道。
但許多科學家對這些想法持謹慎態度。到目前為止，關於可以節省多少電力的理論估計都是基於在短時間內測試的小樣本資料。人們還懷疑這些材料在各種氣候和地點工作的能力。冷卻效果在乾燥氣候和晴朗天氣中效果最佳；當多雲或潮溼時，水蒸氣會捕獲紅外輻射。而且，超酷材料可能無法在所有天氣條件下持久使用，或者不容易安裝在所有建築物上。
另一個未知數是消費者是否會接受這個想法。賽勒說，即使是用反光白色屋頂替換破舊屋頂以冷卻房屋這種簡單的措施，也沒有被房主廣泛採用。然而，他的建模工作表明，與白色屋頂相比，使用超酷油漆可能會使節能效果提高一倍。“這有點像遊戲規則改變者——可能，”他說。
克服太陽
2012年，拉曼（Raman）——當時正在與範（Fan）一起完成關於收集太陽能的材料的博士學位——偶然發現了關於被動輻射冷卻的舊研究，這是他以前從未聽說過的效應。他意識到沒有人研究出如何在陽光直射下使用它，於是他研究了材料克服太陽熱量所需的光學特性。它必須比白色油漆更有效地反射波長為200奈米至2.5微米的太陽光譜，白色油漆的反射率已經高達94％。而且它必須儘可能接近100％地吸收和發射關鍵的8-13微米範圍內的波長（參見“保持涼爽”）。
拉曼和範認為，所有這些都可以透過在奈米尺度上工程化材料來實現。建立比將穿過它們的光波波長更小的結構應該增強某些波長的吸收和發射，並抑制其他波長的吸收和發射。
該小組提出了在表面蝕刻圖案的想法，並在2013年發表了該想法。然後，該團隊向美國高階研究計劃署 - 能源部（ARPA-E）提交了一份提案，以獲得製造資金。
“我立刻想到，‘哇，我真的很想看到有人真正做到這一點，’”當時擔任華盛頓特區ARPA-E專案主管，現在是科羅拉多州博爾德市技術顧問的霍華德·布蘭茲（Howard Branz）回憶道。“已經有很多夜間輻射冷卻工作，但在廣泛的陽光下做到這一點非常驚人。”
布蘭茲給了研究人員40萬美元和一年的時間。由於時間如此之少，斯坦福大學的研究團隊決定簡化設計，並嘗試以更熟悉的方式對材料進行分層。為了創造出高度反射的材料，研究人員交替使用了四層強烈折射光線（二氧化鉿）和弱折射光線（二氧化矽或玻璃）的材料薄層，這是一種光學工程中常用的圖案，之所以有效是因為光波在穿過不同層時會發生干涉。他們使用相同的原理來放大紅外線發射，在頂部沉積了三層更厚的相同材料。
當他們在室外測試他們的材料時，即使在約850瓦/平方米的陽光直射下，它也比環境溫度低近5°C。（在海平面晴朗的一天，正午陽光的強度達到約1,000 Wm2）。
在那次成功之後，ARPA-E資助了其他超酷材料的提案。其中包括來自科羅拉多大學博爾德分校的夏波·殷（Xiaobo Yin）和榮貴·楊（Ronggui Yang）的想法，他們希望大規模製造材料。他們選擇使用廉價的塑膠和玻璃。尺寸合適的玻璃球（直徑幾微米）在8-13微米範圍內強烈發射。將這些玻璃球嵌入50微米厚的透明聚甲基戊烯薄膜（一種用於某些實驗室裝置和炊具的塑膠）中，並用反光銀背襯，足以製造出超酷材料。更重要的是，研究人員可以使用卷對卷技術製造薄膜，該技術每分鐘可生產5米。
事實證明，如果結構正確，許多材料都表現出超酷特性——而不僅僅是奇異或特殊材料。2018年，紐約市哥倫比亞大學和伊利諾伊州萊蒙特市阿貢國家實驗室的研究人員報告了一種超酷油漆，它基於可噴塗的聚合物塗層。團隊成員袁揚解釋說，許多聚合物自然會在紅外8-13微米範圍內發射，因為它們的化學鍵，例如碳原子之間或碳原子和氟原子之間的化學鍵，在拉伸和鬆弛時會噴射出紅外光包。關鍵是增強聚合物反射陽光的能力。
楊的學生Jyotirmoy Mandal——他現在是加州大學洛杉磯分校拉曼實驗室的博士後研究員——將氟化聚合物前體溶解在丙酮中，並加入少量水。這種混合物可以噴塗到表面上，形成均勻的聚合物塗層，其中分散著微小的水滴。揮發性丙酮首先乾燥，然後是水滴，留下充滿空氣的孔隙。楊說，總體的結果是形成了一種內部有孔隙的白色塗層，可以反射陽光。
去年五月，科羅拉多州的研究團隊報告了另一種材料：一種冷卻木材，與馬里蘭大學帕克分校的胡良兵（Liangbing Hu）和田力（Tian Li）共同創造。李說，就像聚合物一樣，木材含有發射正確型別的紅外輻射的化學鍵。透過化學去除一種稱為木質素的剛性成分，使木材具有反射性，並壓縮產品以排列其纖維素纖維並放大紅外線發射，可以實現淨冷卻效果。
科學家們還用聚二甲基矽氧烷（PDMS）製成了超酷薄膜，聚二甲基矽氧烷是一種矽酮材料，存在於潤滑劑、護髮素和傻瓜泥等產品中，方法是將其噴塗到反光背襯上。最近在去年8月，威斯康星大學麥迪遜分校的於宗福（Zongfu Yu）和紐約州立大學布法羅分校的甘巧強（Qiaoqiang Gan）發現，在校園停車場中間放置時，噴塗有100微米PDMS層的鋁膜比環境空氣低11°C。
天然木材（左）旁邊是經過處理的散熱木材。來源：胡良兵InventWood
保持涼爽
幾乎所有研究團隊都為其發明申請了專利，現在正試圖將其推向市場。甘正與未透露姓名的行業合作伙伴合作，將PDMS-鋁膜商業化。哥倫比亞大學已將其超酷油漆授權給紐約初創公司MetaRE進行開發，該公司由Mandal和楊在哥倫比亞大學的合作者Nanfang Yu創立。MetaRE的執行長April Tian表示，MetaRE還在與行業合作，為屋頂、冷藏運輸、倉儲和紡織應用開發該油漆。她說，該產品與傳統油漆“極具競爭力”。
其他初創公司也強調了其產品可以節省多少電力。範和拉曼為SkyCool Systems的面板開發了一種專有系統。2017年，他們預測，在炎熱乾燥的內華達州拉斯維加斯，該系統可以在夏季將建築物用於冷卻的電力消耗量減少21％。拉曼說，這些面板將在三到五年內收回成本。殷和榮貴·楊在博爾德市成立了一家名為Radi-Cool的公司，以商業化玻璃嵌入式塑膠。今年1月，他們報告說，如果將該材料與亞利桑那州鳳凰城、佛羅里達州邁阿密和德克薩斯州休斯頓的商業建築中的水冷卻器整合在一起，則可以在夏季將冷卻電力消耗量減少32-45％。與此同時，胡已將超酷木材材料授權給他在馬里蘭州共同創立的一家名為InventWood的公司。他預測，這可以節省美國16個城市20-35％的冷卻能源。
但布達佩斯中歐大學專門研究氣候變化減緩的環境科學家戴安娜·於爾格-沃薩茨（Diana Ürge-Vorsatz）警告說，這些估計是基於實驗和模型的，這些實驗和模型過於有限，無法推斷到城市中的整棟建築物。殷補充說，實際的節能效果以及超酷材料收回成本的速度將取決於建築物的結構、位置和天氣條件。
位置是最大的障礙。“在某些地理區域，它根本無法工作，因為大氣不夠乾燥，”密歇根州立大學東蘭辛分校的機械工程師詹姆斯·克勞斯納（James Klausner）說，他在布蘭茲之後擔任ARPA-E專案主管，並資助了該領域的一些提案。但他說，這並不過於令人沮喪，因為效果良好的地區是西南美國或中東等乾旱地區，這些地區對空調的需求很高。
多孔白色油漆可用於在夏季冷卻建築物；當用酒精潤溼時，它會變成透明並捕獲熱量（左側），這可能會在冬季溫暖建築物。來源：Jyotirmoy Mandal
另一個挑戰是，輻射冷卻系統可能會增加冬季的供暖成本。為了解決這個問題，桑塔莫里斯正試圖在超酷材料的頂部引入一層液體層，當溫度降到足夠低時，液體層會凍結。一旦液體凝固，輻射就無法再逃逸到太空，因此冷卻效果被切斷。去年10月，曼達爾和楊報告了另一種阻止過度冷卻的方法。如果他們用異丙醇填充聚合物塗層的孔隙，則塗層開始捕獲熱量而不是散發熱量。這可以透過吹空氣穿過孔隙使其乾燥來逆轉。
還有另一個問題：只有當材料能夠將其輻射直接傳送到太空的冷散熱器時，才能實現超酷冷卻。在城市環境中，建築物、人和物體可能會擋住去路，吸收熱量並重新釋放出來。目前效能最佳的材料以約100 Wm-2的速率去除熱量。甘和於希望透過將薄膜垂直於屋頂放置，使排放物可以從兩個表面逸出，從而使該速率翻倍。但這將需要在薄膜周圍新增能夠將排放物反射到天空中的材料。
研究人員正在尋找其他方法來提高材料的冷卻能力。去年10月，馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的伊芙琳·王（Evelyn Wang）及其同事報告說，在智利乾燥的阿塔卡馬沙漠中午，用輕質絕緣氣凝膠覆蓋輻射冷卻薄膜可使結構保持比周圍環境低13°C的溫度，而沒有氣凝膠時僅為1.7°C。她說，氣凝膠概念可以與其他超酷材料一起使用。
從實際角度來看，將超酷材料用於地球工程以緩解全球變暖的夢想似乎還很遙遠，而且不太可能實現。去年9月，蒙代使用“粗略計算”表明，可以透過用現有材料覆蓋地球表面1-2％的面積來平衡當前的氣溫上升，這些材料在白天產生約100 Wm-2的冷卻能力。但氣候科學家馬克·勞倫斯（Mark Lawrence）說，由於太陽能電池板經過數十年的發展仍未達到如此高的覆蓋率，因此這項新興技術似乎不可能及時做到這一點以發揮作用。正如任何地球工程提案一樣，蒙代承認擾亂降水模式和當地氣候可能造成的意外後果——於爾格-沃薩茨也認為這很可能成為一個問題。
拉曼說，儘管如此，被動輻射冷卻可能有很多好處（參見“夜間發電，白天取水”）。例如，它可以幫助防止太陽能電池板隨著溫度升高而降低效率。殷說，即使所有電力生產和轉換過程都使用可再生能源而不是化石燃料，也會產生廢熱。“這是唯一一種利用所有這些浪費的熱量並將其傾倒回太空的技術，”他說。
夜間發電，白天取水
將地球熱量排放到太空的材料可能具有意想不到的應用。例如，它們可以使白天更容易從大氣中收集水分。在夜晚，水蒸氣會在向晴朗夜空散熱的表面上凝結成露水，這種效應幾個世紀以來一直被用於收集水分。威斯康星大學麥迪遜分校的於宗福和紐約州立大學布法羅分校的甘巧強發現，塗有聚二甲基矽氧烷的鋁膜不僅可以保持涼爽，還可以在白天增強水分凝結12。兩人在布法羅成立了一家名為Sunny Clean Water的公司，以將該裝置商業化。
超酷材料與其周圍環境之間的溫差也可以用於在夜間發電——這與僅在白天工作的太陽能電池板不同。去年9月，加利福尼亞州斯坦福大學的Aaswath Raman、Shanhui Fan和Wei Li設法從這樣一種夜間裝置中產生了涓涓細流的電力——每平方米幾毫瓦13。這表明，至少有可能在夜間產生足夠的電力來為小型LED供電。科羅拉多州博爾德市的技術顧問霍華德·布蘭茲說，這是一個令人興奮的概念驗證。但是，來自太陽能電池板的電力可以儲存在電池中以產生更大的電流，因此目前尚不清楚這個想法是否會有效。
本文經許可轉載，並於2019年12月31日首次發表於《自然》雜誌。