热辐射是自然界中最重要的能量传递方式之一。然而，传统的黑体辐射因其非定向、非相干、宽光谱、无偏振等固有特性，致使辐射体与其周围所有物体均进行热量交换，极大的制约了传热效率和热流操控能力，进而限制了其实际应用。
以辐射制冷为例，过往的辐射制冷器件通常呈现出全向的热辐射特性，因此仅适用于开阔的水平表面（如屋顶），以便最大限度的面向温度较低的天空，并尽可能的隔绝器件与地面、周围物体、大气非透明窗口波段向下辐射等的热量交换。然而，当它们被用于竖直表面（如墙面、衣物、车辆侧面等广泛实际场景）时，器件面向低温天空的视场角显著缩小，同时不得不大量吸收地面（尤其在亟需制冷的夏日，地表温度远高于环境温度）、周围物体以及大气非透明窗口波段向下辐射等的热量，从而导致其亚环境辐射制冷失效。尽管近年来一些国际研究团队尝试调控热辐射的光谱或角度，但竖直表面的日间亚环境辐射制冷仍然面临着巨大的挑战。
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全向宽带发射器件和角度非对称光谱选择性发射器件在竖直表面的辐射换热过程据此，中国科学院长春光机所李炜研究员团队与合作者，利用热光子学手段，实现了热辐射角度和光谱的跨波段协同调控，进而设计出具有跨尺度对称破缺性、角度非对称光谱选择性的定向发射器件（AS 发射器件），实现了竖直表面的日间亚环境辐射制冷。相关成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”为题发表于Science，并获3项授权专利。
该工作不仅攻克了竖直表面的日间亚环境辐射制冷，对辐射制冷的实际应用具有重大意义；同时突破了热辐射角度、光谱的跨波段协同调控能力，为热光子学操控打开了全新局面。该成果是长春光机所在Science上刊发的首篇第一单位文章，也是李炜研究员及其团队继今年在Nature发表“基于光子学角度/光谱协同调控的高维光场信息感知工作”之后的又一突破性工作。该工作历时4年，得到了国家自然科学基金委创新研究群体项目、重点项目等资助，以及共作者：斯坦福大学范汕洄教授团队，纽约城市大学Andrea Alu教授团队，长春光机所黎大兵研究员团队、张志宇研究员、田思聪研究员，和北京大学肖云峰教授的鼎力支持。该研究指出，由于大气透过率随天顶角增大而减小，对于竖直表面而言，其法向方向是大气透过率最低的方向，导致其极限制冷功率仅为 ~40 W m-2（比水平表面的一半还低）。另一方面，与水平表面相比，竖直表面不仅会吸收太阳的直接照射，还会吸收来自地面反射的太阳光。这些因素进一步对竖直表面的太阳光反射率以及红外热辐射的角度及光谱特性提出了更严苛的要求。据此，该研究从太阳反射率、大气透明窗口内的光谱选择性、热辐射角度非对称特性协同设计，以热力学、互易性、波导以及声子激化共振等理论为基础，利用跨尺度对称破缺结构实现了热辐射在空间角度上的非对称分布以及在光谱上的选择性调控。具体来说，首先，研究人员设计了打破镜面对称性的锯齿光栅结构，其倾斜表面最外侧的Ag层可以有效抑制地面发射的热辐射，而其横向表面上的SiN层可以向天空发射光谱选择性热辐射，从而提供角度非对称的热辐射特性。值得注意的是，由于热力学和互易性的限制，锯齿光栅周期必须远大于波长才能实现角度非对称并支持光耦合的准连续频率覆盖。另一方面，锯齿光栅表面的Ag层，可以有效阻挡太阳光进入锯齿光栅内部，从而避免由多次反射造成的太阳光吸收。此外，为了进一步提高发射器在太阳光谱的反射率，一层孔隙尺寸为0.3μm至1μm的多孔聚乙烯薄膜（nanoPE）被覆盖在锯齿结构表面。Ag层和nanoPE薄膜的结合可以在整个太阳光谱范围内产生强烈反射。与此同时，nanoPE薄膜的深度亚波长孔隙尺寸使其在红外波段具有可以忽略不计的散射效率，确保了其较高的红外透射率以及AS发射器的角度非对称光谱选择性辐射特性。为了验证AS发射器的全天候辐射制冷性能，该研究在晴朗的夏季进行了24小时连续的室外温度测量。在一整天中，AS发射器的表面温度始终低于环境温度。即使在炎热的正午，AS发射器仍然保持约2.5°C的亚环境辐射制冷性能，且相较于常规高性能辐射制冷器件和商用白漆分别低4.3℃和8.9℃。此外，该研究还展示了，AS发射器在任意朝向下始终保持着亚环境辐射制冷性能。此外，为探究AS发射器在实际场景中的制冷性能，该研究还考虑了建筑物之间的热辐射影响，并将所有发射器都面向正午最热的南向墙壁。得益于AS发射器的角度与光谱协同调控能力，通过改变锯齿光栅的宽高比，可以很容易地调控热辐射的发射角度范围。因此，即使考虑建筑物之间的热辐射，AS发射器的亚环境辐射制冷也始终有效，且其表面温度比常规高性能辐射制冷器件和商业白漆分别低3.5°C和4.6°C。在如上实验验证之外，该研究还从理论上分析了考虑建筑间热辐射时，制冷功率的理论极限。综上，该研究不仅攻克了竖直表面的日间亚环境辐射制冷，对辐射制冷的实际应用、节能减排具有重大意义；同时突破了热辐射角度、光谱的跨波段协同调控能力，展现了高自由度的热光子学操控能力，为操控热流和信息（如新型的高效冷却、加热、能量传输以及在空间光学系统中的高精度热控等）提供了崭新机遇。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2524#tab-contributors
来源：中国科学院长春光机所
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