一種新的受甲蟲啟發的陶瓷輻射涂層應用于房屋屋頂，圖片來源：香港城市大學
隨著全球氣溫持續上升，面臨與高溫有關的疾病和死亡風險的人比以往任何時候都多。雖然空調似乎是一種解決方案，但使用這項技術會導致氫氟碳化物和溫室氣體的排放，從而推動氣候變化。因此需要其他不會產生任何排放的冷卻方法。
輻射涂層可以在不使用機械制冷設備的情況下提供被動冷卻。這些涂層旨在反射太陽輻射并向寒冷的外太空發射熱輻射，從而實現無電自發冷卻。近年來，研究人員在輻射涂層方面取得了許多進展，這在很大程度上要歸功于微納加工方面的創新。今天的CTT概述了最近發表在《科學》第382卷第6671期上的兩篇論文，這兩篇論文利用這種制造技術來開發新的輻射涂層。
受甲蟲啟發的陶瓷涂層實現了近乎完美的太陽反射率
香港幾所大學的研究人員設計了一種新的陶瓷輻射涂層，其太陽反射率接近完美的99.6%。該涂層令人印象深刻的性能歸功于其納米結構，其靈感來自Cyphochilus甲蟲。Cyphochilus甲蟲原產于東南亞，被認為是地球上最白的昆蟲。它的著色是由于覆蓋甲蟲整個外骨骼的微小鱗片的排列。這些鱗片只有 6 μm 厚，形成了一個高度連接且致密的幾丁質網絡，即一種長鏈聚合物，可為甲殼類動物、昆蟲的外骨骼和真菌的細胞壁提供強度。甲殼素的散射效率極高，導致超白外觀。
以前的研究，例如這里，已經從Cyphochilus甲蟲中汲取靈感，以創造可持續和生物相容的超白涂層。但這項新研究通過創造一種既美觀又實用的涂層，將這一靈感向前推進了一步。
香港研究人員通過一種可以很容易地進行大規模生產的工藝制造了陶瓷涂層。首先，他們將聚醚砜（PES）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和α-氧化鋁的溶液澆鑄到平坦的基板上，并將其浸入乙醇中，使NMP溶解。然后，他們燒結材料以去除PES，并以類似于Cyphochilus甲蟲鱗片的多孔圖案粘合氧化鋁顆粒。
除了創紀錄的 99.6% 的太陽反射率外，最終的氧化鋁涂層還表現出 96.5% 的紅外熱發射，并可承受超過 1,000°C （1,832°F） 的溫度。當應用于房屋屋頂時，該涂層將用于空間冷卻的電量減少了 20%。
受甲蟲啟發的不同顏色的陶瓷輻射涂層樣品，圖片來源：香港城市大學
陶瓷輻射涂層的其他特性包括
1、超低厚度，該涂層的厚度僅為 150 μm，即可實現 95% 以上的反射率。傳統的高性能屋頂冷卻涂料通常需要厚度大于 1 毫米。
2、機械強度高，該涂層表現出超過 100 MPa 的高機械強度（建筑圍護結構至少需要 35 MPa）。
3、低反射率，該涂層在任何厚度的大氣窗口透射率范圍內都具有低反射率，使其適用于涂覆混凝土和類似基材。
4、亞環境冷卻，即使在中午（上午 11 點至下午 2 點之間）左右，該涂層也能實現 4°C 以上的低于環境冷卻，與白色商業瓷磚相比，溫度更低。
5、要么親水，要么疏水，通過用有機硅化合物浸漬，涂層可以從超親水性（被水吸引）轉變為疏水性（排斥水）。涂層的這種變化只會導致太陽反射率的小幅下降。
6、對環境刺激有抵抗力，該涂層在用氟硅烷處理時可抵抗污染物，將太陽反射率保持在 97% 以上。該涂層還具有抗紫外線輻射和防火性能。
7、可回收利用，該涂層是可回收的，可以變成一種具有良好光學特性的新材料。
8、顏色選項，涂層可以使用雙層設計著色，同時大部分保留其反射特性。例如，黃色、紅色和綠色涂層在近紅外區域的反射率分別為 95%、96% 和 87%。
香港城市大學Chi Yan Tso在一份大學新聞稿中說：“[這項研究]證實了冷卻陶瓷在減少人們對傳統主動冷卻策略的依賴方面的巨大潛力，并為避免電網過載、溫室氣體排放和城市熱島提供了可持續的解決方案。該論文發表在《科學》雜志上，題目是“Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity”（DOI：10.1126/science.adi4725）。
微孔玻璃鍍膜即使在高濕度條件下也能實現溫度下降
馬里蘭大學（University of Maryland）和威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的研究人員使用一種基于溶液的工藝來制造一種微孔玻璃涂層，即使在高濕度條件下也能達到冷卻效果。
該溶液由懸浮在乙醇中的磷酸鹽玻璃顆粒（2-15μm）和α-氧化鋁納米顆粒（0.3-1.0μm）組成。玻璃顆粒作為非常規粘合劑形成堅固的多孔支撐框架，而氧化鋁顆粒則在制造過程中強烈散射光并防止多孔結構致密化。
在約600°C下燒結后，玻璃顆粒形成互聯的介孔結構，氧化鋁顆粒被玻璃包圍。掃描電子顯微鏡分析顯示孔隙率約為50%，平均孔徑為6.7 μm。測試確定氧化鋁顆粒的最佳質量分數為 40-60 wt.%。涂層厚度需要大于 500 μm 才能實現大于 95% 的太陽反射率。
研究人員指出，該溶液的粘度可以針對不同的涂層技術進行修改，例如噴涂或刷涂，從而使涂層能夠以良好的附著力應用于各種基材，包括磚、瓷磚、金屬和玻璃。然而，太陽反射率取決于鍍膜方法。與刷涂式玻璃鍍膜相比，噴涂式玻璃鍍膜具有更粗糙、多孔的結構，導致太陽反射率略低。在噴涂涂料中將氧化鋁質量分數提高到約60 wt.%，在約500 μm的厚度下實現了超過96%的太陽反射率。
馬里蘭大學杰出教授胡良兵（左）和助理研究科學家趙新鵬展示了一塊涂有新型輻射冷卻涂料的玻璃，圖片來源：馬里蘭大學
玻璃輻射鍍膜的其他優點包括：
1、在大氣透明度窗口中結合了高太陽反射率 （>96%） 和高紅外發射率 （95%）。
2、即使在高濕度條件下（高達 80%），中午和夜間也能分別降低約 3.5°C 和 4°C。
3、當應用于屋面時，每年可減少約10%的二氧化碳排放量，使舊建筑平均每年節省約350美元，新建筑平均每年節省約290美元。
4、即使暴露在惡劣的條件下，包括水、紫外線輻射、污垢和高溫火焰沖擊，也能保持高太陽反射率。
5、兼容具有不同軟化點（300°C 至 1,000°C）和介電顆粒（二氧化鈦、氧化鋅、氮化硼）的幾種不同玻璃組合。
6、可以摻入無機染料以產生粉紅色、綠色和黃色，同時保持 90% 至 95% 的太陽反射率特性。
“這是一項改變游戲規則的技術，它簡化了我們保持建筑物涼爽和節能的方式，”第一作者、馬里蘭大學助理研究科學家趙新鵬在大學新聞稿中總結道。研究人員成立了一家名為CeraCool的初創公司，以擴大玻璃鍍膜技術的規模并將其商業化。
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