来源：高分子科学前沿
李炜，微纳光子学与材料国际实验室(吉林省国际科技合作重点实验室)主任，发光学及应用国家重点实验室学术带头人，研究员、博士生导师。长期从事热光子学、微纳光学、光与物质相互作用及其在下一代能源和信息技术中的应用研究，在Nature， Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Communications等期刊发表论文；主持国家自然科学基金重点项目等；入选国家、中国科学院、吉林省等高层次人才计划；获麻省理工科技评论亚太区科技创新35人、全球高被引科学家，斯坦福大学全球顶尖科学家；担任npj Nanophotonics副主编、SPIE Spotlight副主编，Science等五十余期刊审稿人，Optica和IEEE 长春光机所学生分会指导教师。
今年5月15日，李炜研究员团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，在国际上首次利用单个器件通过单次测量，对宽带光谱范围内具有任意变化的偏振和强度的高维光场进行了全面表征，实现高维度光场信息探测。该成果以“Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector”为题发表在Nature上。这是长春光机所首次以第一完成单位在Nature发表论文。近日，李炜研究员团队的最新成果登上《Science》，据小编所知，这也是长春光机所建所以来的首篇《Science》。
下面，让小编带大家一起拜读一下李炜研究员团队最新研究成果。
随着全球变暖和气温上升，对制冷的需求不断增加。然而，大多数传统制冷需要能耗，进一步加剧温室气体排放和全球变暖。无需能量输入的被动冷却技术在这一背景下显得尤为重要。辐射冷却利用大气窗口将热量以红外形式散发到外太空，提供了一种有效的被动冷却方式。特别是通过设计纳米光子结构，实现了在白天低于环境温度的辐射冷却。这种技术已被用于建筑、车辆、纺织品和水冷系统等领域。通常，白天辐射冷却器需面向天空，但在许多应用中，例如建筑物和车辆，表面常为垂直，这使得有效冷却更具挑战性。垂直表面受到来自地面的辐射影响，并减少了对天空的热辐射，这要求更强的太阳反射率和特定角度的热发射性能。理论和实验分析表明，要实现垂直表面的白天冷却，必须将太阳吸收限制在40 W/m²以下，并采用角度不对称的热发射，以减少地面辐射吸收。
在这里，李炜研究员团队联合斯坦福大学范汕洄教授、纽约城市大学Andrea Alu教授使用分层设计、角度不对称、光谱选择性热发射器演示了峰值阳光下垂直表面的低于环境的白天辐射冷却。在每平方米约 920 瓦的峰值阳光下，作者的发射器达到的温度比环境温度低约 2.5°C，与二氧化硅聚合物混合辐射冷却器和商用白色油漆相比，温度分别降低了约 4.3° 和 8.9°C。相关成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”为题发表在《Science》上，第一作者为谢非，Weiliang Jin，J. Ryan Nolen和潘昊为共同一作。
1、AS热发射器的分析与设计
本文展示了理想的AS（角度选择性）热发射器的冷却潜力，并与全向宽带热发射器进行了比较。假设两者在太阳光谱中都无吸收，AS热发射器在中红外范围（8至13μm）内对上半球有统一的发射率，而对下半球发射率为零（图1B）。在典型白天条件下，垂直定向的AS热发射器在适当的隔热条件下（hc = 3.5 W m²/K），理论上可实现7.9°C的冷却效果和14.9°C的降温增益（图1C）。相比之下，全向宽带热发射器因吸收地面辐射，即使完全抑制太阳吸收，在垂直表面上也无法达到低于环境的温度。
图 1. 垂直表面低于室温的白天辐射冷却的设计考虑因素
作者的热发射器设计基于锯齿光栅结构，覆盖NanoPE薄膜（图2A）。锯齿光栅包含水平和倾斜面，分别覆盖有银（Ag）和氮化硅（SiN）层。Ag层提供了强太阳光反射，NanoPE薄膜通过其气孔结构进一步增强紫外和可见光的反射（图2B, 2C）。SiN层则在8至13μm范围内实现光谱选择性热发射。设计中，倾斜面上的Ag层可抑制向地面发射，而SiN层的发射则主要面向天空，实现角度不对称的发射。为了实现这一效果，光栅周期需大于波长，并通过调整纵横比灵活控制发射角度。此设计通过同时实现角度和光谱选择性，克服了先前研究中的限制，使得在垂直表面上实现日间低于环境温度的辐射冷却成为可能（图2D, 2E）。
图 2. AS 发射器的设计
2、制造和表征
作者通过模板成型技术制造了优化的锯齿光栅，并采用标准薄膜涂层工艺。锯齿光栅结合nanoPE薄膜实现了高太阳光反射率，整体结构在太阳光谱上的平均反射率达到0.978（图3A, 3B）。在中红外波长范围内，nanoPE薄膜提供高透射率和直接透射率（图3C）。通过角度分辨热发射光谱测量（ATESM）系统（图3E），作者对锯齿光栅的红外特性进行了测试，结果显示在上半球空间内具有显著的角度不对称发射，且符合理论预期（图2D, 3D）。锯齿光栅与nanoPE薄膜的结合成功实现了AS热发射器，红外摄像机清晰显示其相对侧的辐射或表观温度对比（图3F）。
图 3. AS 发射器的实验特性
3、定向和低于环境的白天辐射冷却演示
为了验证辐射冷却方法，作者测试了两种情况。首先，在真空环境中，利用真空室冷却装置（图4A）将背景温度维持在-13°C，以突出定向辐射冷却效果。实验中，当加热器温度分别为48.9°C、73.3°C和96.9°C时， AS热发射器在冷背景下保持冷却效果，与全向宽带发射器相比，分别低了14.1°C、19.8°C和25.6°C（图4B）。其次，在真实室外环境下（中国北京的晴天夏日），作者将AS热发射器与二氧化硅-聚合物辐射冷却器和商用白色涂料进行了比较，将它们垂直朝向南方阳光最强的方向安装（图4C, D）。结果显示，AS热发射器在上午11:30到下午12:30的高阳光条件下低于环境温度2.5°C±0.7°C，而二氧化硅-聚合物冷却器和白色涂料则未能达到低于环境的温度（图4E, F）。即使在太阳辐射较小的北向条件下，AS热发射器也能实现低于环境的冷却，而其他两种材料仍未达到该效果，证明了AS热发射器在不同方向和环境下的广泛适用性。
图4. 角度不对称定向辐射冷却演示
为深入研究AS热发射器在高温实际场景中的冷却性能，作者在室外实验中将发射器面向正南的墙壁（图5A）。通过设计倾斜角β为11°的AS发射器，有效抑制了来自地面和墙壁的辐射。在午间11:00至13:00期间，地面温度达44°C至53°C，墙壁温度达38°C至45°C，太阳辐照度在700至900 W m−2时，AS发射器保持低于环境温度的状态（图5B），而二氧化硅-聚合物冷却器和白色涂料则未能达到冷却效果。AS发射器在这些条件下的温度比二氧化硅-聚合物冷却器和白色涂料分别低3.5°C和4.6°C。理论分析表明，理想的梯度AS发射器在建筑物墙体上可实现最佳冷却效果（图5C），保持净冷却功率，即使面对地面和邻近建筑物的热辐射，也优于全向宽带发射器，平均冷却功率高出约114 W m−2（图5D）
图 5. 建筑墙体应用的实验和理论分析
本文开发了一种分层设计的AS热发射器，实现了垂直表面在白天低于环境温度的辐射冷却效果。与传统平面发射器不同，AS热发射器避免了对称角度响应导致的地面热吸收，适用于建筑物、车辆和纺织品等三维环境，从而大大拓展了被动冷却的应用范围。随着辐射冷却技术和光子设计、材料、制造技术的发展，这一设计将便于广泛应用，推动新的冷却方向探索。AS热发射器有望革新现有的热管理和能量传输方法，减少热量和能源消耗，并开启高效冷却、加热和能量收集的新机遇。
