圖1.全向寬帶發(fā)射器件和角度非對稱光譜選擇性發(fā)射器件在豎直表面的輻射換熱過程

熱輻射是自然界中最重要的能量傳遞方式之一。然而，傳統(tǒng)的黑體輻射因其非定向、非相干、寬光譜、無偏振等固有特性，致使輻射體與其周圍所有物體均進行熱量交換，極大的制約了傳熱效率和熱流操控能力，進而限制了其實際應用。

以輻射制冷為例，過往的輻射制冷器件通常呈現(xiàn)出全向的熱輻射特性，因此僅適用于開闊的水平表面(如屋頂)，以便最大限度的面向溫度較低的天空，并盡可能的隔絕器件與地面、周圍物體、大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量交換。然而，當它們被用于豎直表面(如墻面、衣物、車輛側面等廣泛實際場景)時，器件面向低溫天空的視場角顯著縮小，同時不得不大量吸收地面(尤其在亟需制冷的夏日，地表溫度遠高于環(huán)境溫度)、周圍物體以及大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量，從而導致其亞環(huán)境輻射制冷失效。盡管近年來一些國際研究團隊嘗試調控熱輻射的光譜或角度，但豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

據(jù)此，中國科學院長春光機所李煒研究員團隊與合作者，利用熱光子學手段，實現(xiàn)了熱輻射角度和光譜的跨波段協(xié)同調控，進而設計出具有跨尺度對稱破缺性、角度非對稱光譜選擇性的定向發(fā)射器件(AS 發(fā)射器件)，實現(xiàn)了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷。相關成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces ”為題發(fā)表于Science，并獲3項授權專利。

該工作不僅攻克了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷，對輻射制冷的實際應用具有重大意義;同時突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調控能力，為熱光子學操控打開了全新局面。該成果是長春光機所在Science上刊發(fā)的首篇第一單位文章，也是李煒研究員及其團隊繼今年在Nature發(fā)表“基于光子學角度/光譜協(xié)同調控的高維光場信息感知工作”之后的又一突破性工作。該工作歷時4年，得到了國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體項目、重點項目等資助，以及共作者：斯坦福大學范汕洄教授團隊，紐約城市大學Andrea Alu教授團隊，長春光機所黎大兵研究員團隊、張志宇研究員、田思聰研究員，和北京大學肖云峰教授的鼎力支持。

該研究指出，由于大氣透過率隨天頂角增大而減小，對于豎直表面而言，其法向方向是大氣透過率最低的方向，導致其極限制冷功率僅為 ~40 W m-2(比水平表面的一半還低)。另一方面，與水平表面相比，豎直表面不僅會吸收太陽的直接照射，還會吸收來自地面反射的太陽光。這些因素進一步對豎直表面的太陽光反射率以及紅外熱輻射的角度及光譜特性提出了更嚴苛的要求。

圖2.AS發(fā)射器件的設計

據(jù)此，該研究從太陽反射率、大氣透明窗口內的光譜選擇性、熱輻射角度非對稱特性協(xié)同設計，以熱力學、互易性、波導以及聲子激化共振等理論為基礎，利用跨尺度對稱破缺結構實現(xiàn)了熱輻射在空間角度上的非對稱分布以及在光譜上的選擇性調控。

具體來說，首先，研究人員設計了打破鏡面對稱性的鋸齒光柵結構，其傾斜表面最外側的Ag層可以有效抑制地面發(fā)射的熱輻射，而其橫向表面上的SiN層可以向天空發(fā)射光譜選擇性熱輻射，從而提供角度非對稱的熱輻射特性。值得注意的是，由于熱力學和互易性的限制，鋸齒光柵周期必須遠大于波長才能實現(xiàn)角度非對稱并支持光耦合的準連續(xù)頻率覆蓋。另一方面，鋸齒光柵表面的Ag層，可以有效阻擋太陽光進入鋸齒光柵內部，從而避免由多次反射造成的太陽光吸收。此外，為了進一步提高發(fā)射器在太陽光譜的反射率，一層孔隙尺寸為0.3μm至1 μm的多孔聚乙烯薄膜(nanoPE)被覆蓋在鋸齒結構表面。Ag層和nanoPE薄膜的結合可以在整個太陽光譜范圍內產生強烈反射。與此同時，nanoPE薄膜的深度亞波長孔隙尺寸使其在紅外波段具有可以忽略不計的散射效率，確保了其較高的紅外透射率以及AS發(fā)射器的角度非對稱光譜選擇性輻射特性。

圖3.戶外輻射制冷性能測試

為了驗證AS發(fā)射器的全天候輻射制冷性能，該研究在晴朗的夏季進行了24小時連續(xù)的室外溫度測量。在一整天中，AS發(fā)射器的表面溫度始終低于環(huán)境溫度。即使在炎熱的正午，AS發(fā)射器仍然保持約2.5°C的亞環(huán)境輻射制冷性能，且相較于常規(guī)高性能輻射制冷器件和商用白漆分別低4.3℃和8.9℃。此外，該研究還展示了，AS發(fā)射器在任意朝向下始終保持著亞環(huán)境輻射制冷性能。

圖4.考慮建筑之間熱輻射影響的實驗與理論分析

此外，為探究AS發(fā)射器在實際場景中的制冷性能，該研究還考慮了建筑物之間的熱輻射影響，并將所有發(fā)射器都面向正午最熱的南向墻壁。得益于AS發(fā)射器的角度與光譜協(xié)同調控能力，通過改變鋸齒光柵的寬高比，可以很容易地調控熱輻射的發(fā)射角度范圍。因此，即使考慮建筑物之間的熱輻射，AS發(fā)射器的亞環(huán)境輻射制冷也始終有效，且其表面溫度比常規(guī)高性能輻射制冷器件和商業(yè)白漆分別低3.5°C和4.6°C。在如上實驗驗證之外，該研究還從理論上分析了考慮建筑間熱輻射時，制冷功率的理論極限。

綜上，該研究不僅攻克了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷，對輻射制冷的實際應用、節(jié)能減排具有重大意義;同時突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調控能力，展現(xiàn)了高自由度的熱光子學操控能力，為操控熱流和信息(如新型的高效冷卻、加熱、能量傳輸以及在空間光學系統(tǒng)中的高精度熱控等)提供了嶄新機遇。

審核編輯 黃宇