熱管理在全球能源消耗中占據(jù)相當(dāng)大的比例。傳統(tǒng)的室內(nèi)熱管理往往通過(guò)空調(diào)實(shí)現(xiàn)，需耗費(fèi)大量的能源，預(yù)計(jì)在2023年，全球年空調(diào)能源將消耗數(shù)千億美元。這一數(shù)字將隨著不斷增加的大型數(shù)據(jù)中心冷卻需求而進(jìn)一步攀升。因此，迫切需要采用最小能源投入的可再生制冷技術(shù)。

輻射制冷技術(shù)因其可將熱輻射發(fā)射到外太空的獨(dú)特能力而備受矚目，透過(guò)此技術(shù)可使物體冷卻而無(wú)需提供外部能源。理想的輻射制冷器應(yīng)在地球大氣透明窗口內(nèi)具有高發(fā)射率，并且還應(yīng)強(qiáng)烈反射太陽(yáng)輻射，以防止其被陽(yáng)光加熱。因此，能夠在大范圍內(nèi)靈活準(zhǔn)確地操縱光譜是實(shí)現(xiàn)高冷卻性能的關(guān)鍵，但仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。

輻射制冷效應(yīng)已在三種不同類型的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中展示：聚合物、多層薄膜和超材料。其中，聚合物薄膜展現(xiàn)出低太陽(yáng)吸收率、在大氣透明窗口內(nèi)相對(duì)較高的發(fā)射率、低成本和可擴(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)，非常有望用于實(shí)際應(yīng)用。然而，僅基于固有材料吸收特性而沒(méi)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)所需的寬帶寬且高紅外發(fā)射率和太陽(yáng)反射率能力受到明顯限制。盡管嵌入隨機(jī)分布的粒子可以改善光譜可控性，但實(shí)現(xiàn)精確控制的光譜仍然具有挑戰(zhàn)性。相比之下，基于周期結(jié)構(gòu)的超材料已經(jīng)展示出卓越的晝夜輻射制冷的光譜操縱能力。然而，超材料輻射制冷器通常是基于厚度較大的剛性襯底，無(wú)法與任意形狀的物體集成。而且，由于大面積周期性微/納結(jié)構(gòu)的制造充滿挑戰(zhàn)，它們往往僅限于小面積，因此不適用于實(shí)際應(yīng)用。

最近，在eLight期刊上發(fā)表的一篇論文“Highly efficient flexible structured metasurface by roll-to-roll printing for diurnal radiative cooling”介紹了一項(xiàng)由澳大利亞工程院院士、澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)賈寶華教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。

這一新穎的技術(shù)是基于超表面概念，通過(guò)在聚合物薄膜的薄層上排列三維溝槽狀結(jié)構(gòu)（如圖1左圖）來(lái)精確的調(diào)制光譜以實(shí)現(xiàn)高效率輻射制冷。為了能夠大量生產(chǎn)這種聚合物超表面輻射制冷薄膜，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了卷對(duì)卷聚合物薄膜納米壓印制備方法來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)所設(shè)計(jì)的聚合物超表面制冷薄膜（如圖1右圖) 。

圖1：左圖、周期性溝槽狀超表面結(jié)構(gòu)。右圖、大面積聚合物超表面制冷薄膜。
圖源： eLight

這種50微米厚的聚合物超表面輻射制冷（PMRC）薄膜幾乎反射所有入射的陽(yáng)光，同時(shí)，可強(qiáng)烈地在大氣透明窗口中發(fā)射熱輻射，故此薄膜表現(xiàn)了出色的全天候冷卻性能，并通過(guò)超表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超高的輻射制冷功率（高達(dá)140 W/m2），明顯高于目前同類輻射制冷膜。此外，該薄膜可以輕松地集成到各種設(shè)備中，例如水箱、COVID防護(hù)服（如圖2左圖）和汽車遮陽(yáng)罩（如圖2右圖），實(shí)現(xiàn)出色的冷卻性能。

圖2：左圖、PMRC薄膜集成到COVID防護(hù)服。右圖、PMRC薄膜集成到汽車遮陽(yáng)罩及其溫度分布熱像圖。
圖源： eLight

這種大規(guī)模卷對(duì)卷制造的PMRC薄膜具有成本效益，并且可以輕松附著在任何物體上，實(shí)現(xiàn)廣泛的冷卻應(yīng)用，滿足嚴(yán)格的冷卻需求而無(wú)需能源消耗。PMRC薄膜具有全方位的吸收和發(fā)射能力，同時(shí)提供優(yōu)越的冷卻性能。它還具有可擴(kuò)展性和良好的穩(wěn)定性，在熱管理領(lǐng)域有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，該P(yáng)MRC可以進(jìn)一步應(yīng)用于移動(dòng)基站，數(shù)據(jù)中心，電池箱以及冷柜車的制冷，來(lái)節(jié)省制冷能源損耗，貢獻(xiàn)到節(jié)能減排中。

▍論文信息

Lin, K., Nian, X., Li, K. et al. Highly efficient flexible structured metasurface by roll-to-roll printing for diurnal radiative cooling. eLight 3, 22 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00053-3

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