夏日剋星？這種新型聚合物塗層即使在沙漠里也能讓建築保持6?C低溫

(圖源：ScienceDaily)

隨著氣溫上升，熱浪擾亂了世界各地的生活，冷卻方案變得越來越重要。

這是一個至關重要的問題，尤其是在發展中國家，那裡的夏季高溫可能會變得很極端，預計還會加劇。

但普通的冷卻方法，如空調，價格昂貴，消耗大量能源，需要隨時使用電力，而且通常需要消耗臭氧或其它產生強烈溫室效應的冷卻劑。

替代這些能源密集型冷卻方法的一種方法是被動日間輻射冷卻(PDRC)，這種現象是讓材料表面通過反射陽光並將熱量輻射到較冷的大氣而自發冷卻。

PDRC是最有效的,如果一個表面有高太陽能反射率(R)，能夠使日照的熱量最小，並且具有較高的熱發射率(?)，能夠最大限度地增加對天空的輻射熱損失。

如果R和?足夠高，即使在陽光下，凈熱損失也可能發生。

開發實用的PDRC設計一直是一個挑戰:許多最近提出的設計方案都是複雜或昂貴的，不能廣泛應用於屋頂和建築，因為這些建築有不同的形狀和紋理。

到目前為止，白色塗料價格便宜，使用方便，一直是PDRC的基準。

然而，白色顏料通常含有能吸收紫外線的顏料，不能很好地反射較長的太陽波長，因此它們的性能充其量也只能算是中等。

哥倫比亞工程公司(Columbia Engineering)的研究人員發明了一種高性能的表面PDRC聚合物塗層，這種塗層具有納米到微尺度的空氣空隙，可以作為自發的空氣冷卻器，可以像油漆一樣進行製造、染色和應用於屋頂、建築物、水箱、車輛、甚至宇宙飛船上——任何可以塗裝的東西。

他們使用了一種基於溶液的相轉化技術，使聚合物具有多孔泡沫狀結構。

多孔聚合物中的空隙由於與周圍聚合物折射率的不同而散射和反射陽光。

這種聚合物會變白，從而避免了太陽能加熱，而其固有的發射率會使其有效地向天空散熱。

這項研究發表在近日的《科學》雜誌網路版上。

團隊包括材料科學與工程助理教授Yuan Yang、應用物理副教授Nanfang Yu和這項研究的第一作者、團隊(應用物理和應用數學系)的博士生Jyotirmoy Mandal。

基於之前的研究，他們證明了簡單的塑料和聚合物，包括丙烯酸、硅酮和PET，是很好的散熱器，可以用於PDRC。

挑戰在於如何使這些通常透明的聚合物在不使用銀鏡作為反射器的情況下反射陽光，以及如何使它們易於展開。

他們決定使用相轉化法，因為這是一種簡單的、基於解決方案的方法，用於製造聚合物中的光散射孔隙。

聚合物和溶劑已經在塗料中使用，而哥倫比亞工程公司的方法實質上是用能反射從紫外光到紅外線的所有波長的空隙來取代白色塗料中的顏料。

Mandal說:「這種簡單但基本的修改產生了出色的反射率和發射率，與最先進的PDRC設計不相上下，甚至超過了後者，但其便利性幾乎就像油漆一樣。」

研究人員發現聚合物塗層的高太陽能反射(R > 96%)和熱發射率(?~ 97%)使它在廣泛不同的天空下比環境明顯涼爽。在亞利桑那州炎熱、乾旱的沙漠中它僅有6?C，在霧蒙蒙的孟加拉的熱帶環境中僅有3?C。

「事實上，在沙漠和熱帶氣候中都可以實現降溫，沒有任何熱保護或屏蔽，這證明了我們的設計在任何需要降溫的地方都是有用的。」Yang說。

該團隊還通過添加染料創造了具有冷卻能力的彩色聚合物塗層。

「在顏色和冷卻性能之間取得卓越的平衡是我們工作中最重要的方面之一。」Yu說。

「對於外部塗料來說，顏色的選擇往往是主觀的，塗料製造商幾十年來一直在努力製造彩色塗料，比如那些屋頂塗料。」

該小組考慮了環境和操作問題，如可回收性、生物相容性和高溫可操作性，並表明他們的技術可以推廣到一系列聚合物以實現這些功能。

Mandal補充說:「聚合物是一種非常多樣化的材料，由於這種技術是通用的，如果有合適的聚合物，額外的理想性能可以方便地集成到我們的PDRC塗料中。」

「大自然提供了許多加熱和冷卻的方式，其中一些是眾所周知和廣泛研究的，另一些是鮮為人知的。輻射冷卻——通過使用天空作為散熱器，就屬於後者。材料科學家們一直奇怪地忽略了它的潛力，直到幾年前。」 烏普薩拉大學的物理學教授Claes-Goran Granqvist說，他是輻射冷卻領域的先驅，但他沒有參與這項研究。

「Mandal等人發表的這篇文章強調了輻射冷卻的重要性，並展示了一項重要的突破。即使在陽光充足的情況下，也能夠廉價方便地製備出具有層次性的多孔聚合物塗層，從而提供優異的冷卻效果。」

Yang, Yu和Mandal正在從適用性方面改進他們的設計，同時探索使用完全生物相容的聚合物和溶劑的可能性。

他們正在與工業界就下一步計划進行談判。

「現在是為可持續發展的人類開發有前景的解決方案的關鍵時刻。」 Yang指出。

「今年，我們目睹了北美、歐洲、亞洲和澳大利亞的熱浪和破紀錄的氣溫。我們必須找到應對這一氣候挑戰的方法，我們很高興能在這項新技術上取得進展。」

Yu補充道，他曾經認為白色是最難以企及的顏色:「幾年前我學習水彩畫時，白色顏料是最昂貴的。鉛白色常是倫勃朗和盧西安·弗洛伊德等大師的選擇。」

「我們現在已經證明白色實際上是最容易實現的顏色。它只需要在透明介質中嵌入適當大小的氣孔就可以製造出來。空氣空隙是雪和撒哈拉銀蟻呈現出白色的原因。」

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