大熱天穿「毛衣」：神奇的「不插電」製冷

圖1 撒哈拉銀蟻

導讀：

高溫天氣持續數日，覆蓋南北，而且接下來的整個夏天我們還要繼續忍受熱浪。如何保持涼爽？不僅事關人體健康舒適，也關係到建築物的耗能、汽車的製冷、製冷冷凝設備的運行、甚至於地球的溫室效應。

和我們一樣生活在這個地球上的生物在長期的進化歷程中給了我們很多的啟示，例如生活在撒哈拉沙漠的銀蟻通過被動輻射製冷在極端炎熱的環境中保持涼快。

使用相同的原理，最近科學家做出了一種價格便宜、生成簡單的輻射製冷超材料，可以在夏天的中午提供100瓦每平方米的製冷量。也許有一天我們在夏天就不再需要空調，實現真正的「不插電」製冷了。

撰文程哲、趙博

責編 程莉

天熱穿「毛衣」？

對人類來說，散熱是一個永恆的話題，大到地球的散熱（溫室效應），小到手機晶元和電池的散熱（某款手機爆炸）。

換熱有三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。把一根鐵棒的一端放在火上烤，另一端會很燙，這就是熱傳導。大冬天在有風的位置比沒有風的位置要冷，這就是熱對流。把手放在火堆邊上會感覺到熱，這就是熱輻射。

不管哪種換熱方式換熱，都需要一個前提條件，那就是溫度差。根據傳說中的熱力學第二定律，熱會從熱源傳到冷源。當周圍環境溫度和我們身體溫度差不多甚至更高時，身體的散熱就比較困難，這也就是我們在夏天經常需要通過額外途徑保持涼爽的原因。

在這樣的天氣里，你可能會去吃雪糕、洗澡、吹空調，但應該不會穿一件毛衣站在太陽底下吧？然而，地球上有一種生物——撒哈拉銀蟻，他們偏偏就穿了一件獨特的「毛衣」，從而可以在極端炎熱的環境中保持涼爽並且繁衍生息，這到底是怎麼回事呢？

和外太空直接換熱的撒哈拉銀蟻

如果你在沙漠里看到撒哈拉銀蟻（圖1），它可能正在以相當於人類每小時450公里的速度奔跑[1]。別怕，這是他們捕食的標準動作。撒哈拉沙漠的中午地表溫度超過70攝氏度，這個時候銀蟻會出來以極快的速度移動以捕食熱暈的昆蟲。

環境這麼熱，它們還能跑這麼快，怎麼就沒有熱成狗呢？聯繫上一節我們提到的換熱溫差，對於銀蟻來說，周圍環境的溫度比自身溫度還要高，螞蟻也不會出汗，所以不僅散不了熱，環境還會通過熱傳導和熱對流傳熱量給銀蟻。怎麼辦呢？那就只能指望熱輻射了[1, 3]。

熱輻射其實是一種電磁波（你的手機現在就在發射電磁波，一種是屏幕可見光，它發射到你的眼睛裡，這也就是你會看到這行字的原因。另一種是紅外熱輻射，但是人的肉眼看不見它）。電磁波的傳播是不需要介質的，可以長距離傳輸。作為一種波，電磁波有自己的波譜（圖2）。所有的物體都會發射電磁波，其中最強烈的波長和它自身的溫度成反比。比如太陽的表面溫度大約是5500攝氏度，它發射最強烈的波段就位於可見光範圍內（400-760 納米），而地球表面的物體溫度約為25度，發射最強烈的波段就位於紅外（8-10 微米）。

圖2. 電磁波譜 [2]

了解完熱輻射的基本知識，我們發現，銀蟻面對的不僅是酷熱的沙漠，還有頭頂毒辣的太陽的輻射。這些熱量怎麼散出去呢？秘訣就是，把熱散到外太空中去並且把太陽發出來的光都反射回去，因為外太空的溫度是零下200多度（極冷的冷源哦）。

但是銀蟻和外太空之間隔著一個厚厚的大氣層，大氣層裡面的各種氣體會吸收不同波長的電磁波（圖3）。非常精妙的是，在紅外波段，大氣層對8-13微米的電磁波是透明的（高透射率），這個波段也就被稱為紅外大氣透明窗口。地球表面發出的在這個波段裡面的電磁波都可以穿過大氣層直接傳到外太空。這個波段正好和地球上物體的熱輻射波段吻合，而這個吻合讓銀蟻和外太空直接換熱變成可能。

圖3. 大氣層透射率光譜[4] （橫軸是波長，縱軸是透射率）

在漫長的進化過程中，想要在撒哈拉沙漠中不被熱死，撒哈拉銀蟻進化出了一身自己獨特的「毛衣」——覆蓋身體頂部和側面的「銀髮」（見圖4）。這些銀色毛髮可以減弱環境空氣向它對流傳熱。更為神奇的是，這些毛髮可以直接向外太空發散熱輻射來保持身體涼快[3]。

圖4. 撒哈拉銀蟻的銀髮[3]

研究發現這些銀髮（圖5）在太陽光波段是高反性的，三角形截面的毛髮相當於一個反射塗層，可以把照在它身上的大部分太陽光反射掉。這種在可見光波段內的高反射率讓銀蟻看起來就像沙漠中一個個滾動的銀珠。同時，這種毛髮結構在熱輻射的紅外波段卻是高發射率的，而這個波段正好是銀蟻向外熱輻射的波段，因此這些熱輻射可以直接散到天空中去[3]。這樣既減少了吸收太陽光的熱量，又散掉了自己身上的熱量。這些進化出的毛髮使銀蟻在酷熱的環境中保持涼爽從而生存下來。

圖5. 三角形截面的整齊的毛髮[3]

新型被動製冷超材料

其實在七十年代，就有人開始嘗試利用外太空來散熱了，但是一直無法做到在太陽直射時製冷。

2014年，斯坦福大學Shanhui Fan教授課題組在Nature上發表工作，將納米光學和熱輻射控制結合，提出通過在納米尺度設計多層材料，達到在太陽光波段內高反射，在8-13 微米強發射的效果，有效實現了太陽直射時被動的「不插電」製冷。這種結構在很多場合都有獨特的應用前景。例如，將它們放在房頂，相較於沒有納米塗層，可以在中午陽光直射時將房頂降溫5度[5-6]。

這些納米材料雖好，但是必須要在超凈實驗室裡面完成整個製作過程，成本較高，製造相對複雜。最近Science上發表了一個很有意思的工作。作者把玻璃小球混合在透明塑料裡面，然後在背面鍍一層銀。太陽光透過透明塑料被銀鍍層反射回去。而玻璃小球（主要成分是二氧化硅）可以激發波長在10微米左右的聲子激元，這就導致整個薄膜在10微米附近具有很大的吸收率（發射率）[7]。這樣的薄膜在可見光範圍具有高反射率，在8-13微米範圍內具有高發射率，使得薄膜發射的紅外輻射可以直接穿過大氣層散到外太空去。

這種方法不需要複雜的納米超材料製作過程，便宜並且易於製造，白天和晚上都可以工作，平均製冷功率在100瓦每平方米左右，非常具有應用前景。這將在建築物、汽車的節能製冷，製冷冷凝設備的運行，減少溫室氣體排放等方面帶來巨大的推動作用。

參考文獻：

[3]. Shi, Norman Nan, et al. "Keeping cool: Enhanced optical reflection and radiative heat dissipation in Saharan silver ants." Science 349.6245 (2015): 298-301.

[5]. Raman, Aaswath P., et al. "Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight." Nature 515.7528 (2014): 540-544.

[6]. Chen, Zhen, et al. "Radiative cooling to deep sub-freezing temperatures through a 24-h day–night cycle." Nature Communications 7 (2016).

[7]. Zhai, Yao, et al. "Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling." Science (2017): eaai7899.

作者簡介：

本文轉載自微信公眾號科言者，《知識分子》獲授權轉載，內容有修訂。

科言者由一群來自世界各地熱愛科學樂於傳播科學的科研人員組成，希望從學術角度，幫公眾遴選權威、靠譜、有趣的科學知識。

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