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低于环境的日间辐射冷却通过向外太空发射热辐射，使温度能够被动地低于环境温度，即使在阳光直射下也是如此，这项技术有望应用于许多激动人心的应用领域。然而，以前的亚环境日间辐射冷却演示需要直接面向天空的表面，而这些表面不能应用于在实际场景中无处不在的垂直表面，例如建筑物和车辆。
在这里，中国科学院长春光机所李炜研究员，美国斯坦福大学范汕洄教授和纽约城市大学Andrea Alu教授等人展示了在高峰阳光下，使用层次化设计、角度不对称、光谱选择性的热发射器对垂直表面进行亚环境日间辐射冷却。在大约920瓦特每平方米的高峰阳光下，本文的发射器达到了比环境温度低约2.5℃的温度，与硅-聚合物混合辐射冷却器和商业白色油漆相比，分别实现了约4.3℃和8.9℃的温度降低。
相关文章以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”为题发表在Science上。
随着全球变暖和日间最高温度的上升，对制冷的需求一直在飙升。然而，大多数传统的制冷策略需要能源输入，这进一步增加了温室气体排放和全球变暖。实现不需要能源消耗的被动制冷策略对于应对日益增长的制冷需求和实现节能至关重要。辐射制冷是一种可以通过大气透明窗口将热量以热辐射的形式散发到外太空的过程，提供了一种有趣的被动制冷策略。在其发展过程中，一个重要的里程碑是展示了亚环境日间辐射制冷，这是通过设计一种纳米光子结构实现的，该结构能够强烈反射阳光同时发射红外（IR）热辐射。这样的设备即使在直射阳光下也能低于周围环境温度，并且不需要能源输入。实现亚环境辐射制冷为建筑、车辆、纺织品以及水和能源收集的制冷开辟了广泛的应用领域，其中达到亚环境温度是至关重要或非常有益的。迄今为止，已经在多种系统中展示了亚环境日间辐射制冷器，包括纳米光子结构、混合超材料、多孔和纳米纤维材料以及聚合物薄膜。大多数关于日间辐射制冷的先前报告考虑的是一个直接面向天空的表面，通常实施在屋顶上。这种几何形状有助于红外热辐射向太空发射，这是这种制冷方法的核心。然而，在许多需要制冷的场景中，如建筑物、车辆和纺织品，大多数外表面实际上是垂直的，因此并不直接面向外太空，这使得通过红外热辐射进行有效制冷变得困难。尽管已有几项努力尝试这样做，但为垂直表面展示亚环境日间辐射制冷一直具有挑战性为了理解这种展示的挑战，本文考虑了一个垂直表面的净制冷功率Pnet(T)（图1A）：基于Pnet(T)，表面通过热辐射发射Prad(T)，并吸收太阳能PSun、向下的大气热辐射Patm(Tamb)、向上的地面热辐射Pground(Tg)，以及来自周围环境的对流和传导热功率Pcond+conv。Pground(Tg)这一项是垂直表面独有的，通常在屋顶制冷场景中并不相关。
为了实现垂直表面的亚环境日间辐射冷却，发射器必须满足一系列非常严格的约束条件，包括在太阳波长范围内具有强烈的反射率，以及在中红外波长范围内具有强烈的角向和光谱选择性热辐射率。与水平表面相比，垂直表面的冷却能力大大减少，因为天空的可及性远远有限，这转化为对太阳反射率的更为严格的要求。本文的理论分析和实验结果表明，垂直表面需要将PSun限制在<40 W m-2以实现亚环境冷却。此外，垂直表面还受到向上的地面辐射的影响。在白天，由于太阳加热，地面温度Tg可能远高于环境温度。因此，针对在水平表面上部署而优化的传统热发射器，通常是全向的，当放置在垂直表面上时，在假定的日间高峰阳光条件下无法达到亚环境温度。相反，发射器需要支持强烈的角向不对称热发射，以最小化来自向上地面辐射Pground(Tg)的吸收，同时最大限度地向天空发射。最后，发射率还需要在大气透明窗口（8至13 μm）内具有光谱选择性，以最小化向下大气热辐射Patm(Tamb)和太阳吸收PSun。作者提出了、设计并展示了一种角向不对称、光谱选择性（AS）热发射器，以在日间高峰阳光下实现垂直表面的亚环境日间辐射冷却。本文的发射器由锯齿状光栅组成，其周期远大于热波长，上面覆盖有紫外线-可见光（UV-VIS）反射红外透明纳米多孔聚乙烯（nanoPE）薄膜。在超过920 W m-2的峰值太阳辐照度下，发射器达到了比环境温度低2.5° ± 0.7°C的温度，以及与具有最先进性能的硅-聚合物混合辐射冷却器和商业白色油漆相比，分别实现了4.3° ± 0.2°C和8.9° ± 0.2°C的温度降低。结果实现了热辐射的角向和光谱控制，并展示了即使在日间高峰阳光下，垂直表面也能达到亚环境日间辐射冷却。这一展示表明了辐射冷却中未开发的机会，并指向了操纵辐射热流的新方向。Fei Xie†, Weiliang Jin†, J. Ryan Nolen†, Hao Pan†, Naiqin Yi, Yang An, Zhiyu Zhang, Xiangtong Kong, Fei Zhu, Ke Jiang, Sicong Tian, Tianji Liu, Xiaojuan Sun, Longnan Li, Dabing Li, Yun-Feng Xiao, Andrea Alu*, Shanhui Fan*, Wei Li*, Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2524🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏![]()
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