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本文由论文作者团队投稿
辐射制冷由于其完全被动的制冷机制，制冷系统无需任何能量输入，是解决全球变暖和降低能耗的有效方法。
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（如图1），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。
图1：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
近日，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。
该成果以”Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”为题发表在Science。谢非，Weiliang Jin，J. Ryan Nolen和潘昊为论文的共同第一作者，通讯作者为中国科学院长春光机所李炜研究员，斯坦福大学范汕洄教授和纽约城市大学Andrea Alu教授。
该团队的提出利用AS发射器件的角度非对称光谱选择特性，保证高太阳光反射率的同时抑制地面及大气非透明窗口波段的辐射加热，最终实现竖直表面的日间亚环境辐射制冷。
研究团队分析指出，在典型的夏季环境中，地表温度远高于环境温度，全向宽带发射器件因地面辐射加热和大气非透明窗口波段向下辐射影响，其净制冷功率明显逊色于AS发射器件，AS发射器件在适当的隔热条件下实现了约7.9℃的亚环境冷却和相对于全向宽带发射器件14.9℃的温度降低。
此外，大气透过率随天顶角增大而降低，竖直表面法向方向的大气透过率最低，导致其制冷功率受限，仅为约~40 Wm-2，低于水平表面的一半。竖直表面不仅吸收太阳的直射，还接收地面反射的太阳光，因此对太阳光反射率及红外热辐射的角度、光谱特性要求更为严格和复杂。
图2：竖直表面的净制冷功率与发射器温度曲线
针对这一挑战，该团队设计的AS发射器件如图3所示，他们提出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，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。
图3：AS发射器件的设计
不仅如此，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。
研究团队通过在晴朗的夏季进行24小时连续的室外温度测量，实验验证了所设计的AS发射器的全天候辐射制冷性能。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，如图4所示，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℃。该研究还指出，AS发射器在任意朝向下均能保持亚环境辐射制冷性能。
图4：户外辐射制冷性能测试
此外，为了考虑建筑物之间的热辐射影响，研究团队通过将所有发射器都面向正午最热的南向墙壁验证建筑物之间辐射制冷依然有效（如图5）。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。此外，该研究还从理论上分析了建筑物之间辐射交换队制冷功率的理论极限的影响。
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。
论文信息
Fei Xie et al. , Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces. Science 386, 788-794(2024).
