從二維到三維，無能耗制冷新策略

空調等制冷設備工作時耗費大量能源，加劇溫室氣體排放。因此，探索一種無需能源消耗的有效制冷方式尤為重要。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所同合作者探索了一種豎直表面的日間低于環境溫度的輻射制冷新策略。研究成果發表于國際學術期刊《科學》。

▲全向寬帶發射器件和AS發射器件在豎直表面的輻射換熱過程

低于環境溫度的輻射制冷

早在古代，人們便已開始巧妙地利用夜晚沙漠的低溫來制冰。這一做法實際上是物體向寒冷的外太空輻射熱量，實現低于環境溫度的自然制冷。

因為大氣在8-13微米波段有一個透明窗口，允許特定波長的輻射自由通過，而不被大氣層吸收或反射。這種輻射制冷技術無需電力支持，有助于緩解能源短缺和溫室效應等問題。然而，在制冷需求最大的日間，由于太陽的存在，實現輻射制冷更具挑戰。

2014年，科研人員利用光子結構來設計材料的光譜特性，首次實現了日間的輻射制冷。此后，輻射制冷技術取得了顯著進步。

迄今為止，大多數關于日間輻射制冷的研究都聚焦于直接朝向天空的表面，如建筑物的屋頂。在實際應用中，諸如建筑物外墻、車輛車身以及紡織品等需要制冷的對象，其大部分外表面往往是豎直的。因此，發展豎直表面的日間輻射制冷技術格外重要。

豎直表面日間輻射制冷新策略

與水平面的輻射制冷技術相比，豎直面的輻射制冷技術面臨著更為復雜的挑戰。它不僅要有效減少太陽光譜的吸收，還要盡可能通過大氣透明窗口向宇宙輻射熱量，并且必須設法避免被高溫地面加熱，從而確保制冷效果最大化。

針對上述問題和挑戰，科研人員設計了一種角度非對稱光譜選擇性的定向發射器件（AS發射器）。其不僅具備高效反射太陽光的能力，而且能夠巧妙減少吸收來自大氣和高溫地面的熱輻射，從而實現低于環境溫度的制冷效果。

▲AS發射器的結構示意圖

該研究從三個關鍵方面協同設計：太陽反射率、大氣透明窗口內的光譜選擇性，以及熱輻射的角度非對稱特性。利用跨尺度對稱破缺結構，科研人員實現了熱輻射在空間角度上的非對稱分布以及在光譜上的選擇性調控。

該發射器具有打破鏡面對稱性的鋸齒光柵結構，其傾斜表面最外側的Ag層可以有效抑制地面發射的熱輻射，而其橫向表面上的SiN層可以向天空發射光譜選擇性熱輻射，從而實現熱輻射在空間角度上的非對稱分布以及在光譜上的選擇性調控。

為了進一步提高發射器在太陽光譜的反射率，科研人員將一層孔隙尺寸為0.3-1μm的多孔聚乙烯薄膜（nanoPE）覆蓋在鋸齒結構表面。Ag層和nanoPE薄膜相結合，可以在整個太陽光譜范圍內產生強烈反射。與此同時，nanoPE薄膜在紅外波段具有可以忽略不計的散射效率，確保了其較高的紅外透射率以及AS發射器在空間角度上非對稱分布的輻射特性。

全天低于環境溫度的制冷性能

通過在晴朗的夏季進行24小時連續室外溫度測試，研究人員發現在一整天中，AS發射器的表面溫度始終低于環境溫度。即使在炎熱的正午，AS發射器仍然保持低于環境溫度約2.5°C的輻射制冷性能，顯示出輻射制冷技術的應用潛力。科研人員還展示了AS發射器在任意朝向下始終保持低于環境溫度的輻射制冷性能。

▲戶外輻射制冷性能測試

該研究攻克了豎直表面日間低于環境溫度的輻射制冷難題，促進了輻射制冷技術從二維水平面向三維真實環境的拓展，顯著擴大了有效制冷面積，對輻射制冷技術的實際應用及節能減排具有重要意義。