点击上方蓝色字，关注我们
随着全球变暖，制冷需求及其相关能耗快速增长，辐射制冷作为一种无能耗的被动制冷技术受到广泛关注。过往的辐射制冷器件通常具有全向的热辐射特性，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性能失效。
尽管近年来国际上一些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。
针对这一问题，中国科学院长春光机所李炜研究员团队与斯坦福大学Shanhui Fan教授团队、纽约城市大学Andrea Alu教授团队等合作者，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，进而设计出一种跨尺度对称破缺性、角度非对称光谱选择性的定向发射器件（AS发射器件），攻克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，成果获3项授权专利。
在本文中，作者团队首先通过全面的理论分析揭示了全向辐射制冷器件在竖直表面上所面临的挑战，提出了实现竖直表面日间亚环境辐射制冷的设计策略。
具体来说，竖直表面的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约为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，研究团队从太阳反射率、大气透明窗口内的光谱选择性、热辐射角度非对称特性（图1）进行协同设计，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角度非对称光谱选择性热发射器件（图2）。
该器件可以在一整天中，始终保持低于环境温度。即使在炎热的正午，该器件仍然保持约2.5°C的亚环境辐射制冷性能，比常规高性能辐射制冷器件和商用白漆分别低4.3℃和8.9℃（图3）。此外，作者还展示了该器件在任意朝向下均始终保持亚环境辐射制冷性能。
图3. 户外辐射制冷性能测试
此外，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。这种灵活调控热辐射的能力，不仅可以抑制来自地面的辐射，还可以有效地抑制建筑之间的热辐射影响。因此，即使将该器件面向高温墙壁（即考虑高温环境下建筑物之间的影响力），该器件仍然可以实现日间亚环境辐射制冷（图4）。
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。
