圖1.全向?qū)拵Оl(fā)射器件和角度非對(duì)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(jìn)行熱量交換，極大的制約了傳熱效率和熱流操控能力，進(jìn)而限制了其實(shí)際應(yīng)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(dāng)它們被用于豎直表面(如墻面、衣物、車輛側(cè)面等廣泛實(shí)際場景)時(shí)，器件面向低溫天空的視場角顯著縮小，同時(shí)不得不大量吸收地面(尤其在亟需制冷的夏日，地表溫度遠(yuǎn)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(dǎo)致其亞環(huán)境輻射制冷失效。盡管近年來一些國際研究團(tuán)隊(duì)嘗試調(diào)控?zé)彷椛涞墓庾V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(xué)院長春光機(jī)所李煒研究員團(tuán)隊(duì)與合作者，利用熱光子學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了熱輻射角度和光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有跨尺度對(duì)稱破缺性、角度非對(duì)稱光譜選擇性的定向發(fā)射器件(AS 發(fā)射器件)，實(shí)現(xiàn)了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷。相關(guān)成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces ”為題發(fā)表于Science，并獲3項(xiàng)授權(quán)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(duì)輻射制冷的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義;同時(shí)突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控能力，為熱光子學(xué)操控打開了全新局面。該成果是長春光機(jī)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(tuán)隊(duì)繼今年在Nature發(fā)表“基于光子學(xué)角度/光譜協(xié)同調(diào)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(shí)4年，得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目等資助，以及共作者：斯坦福大學(xué)范汕洄教授團(tuán)隊(duì)，紐約城市大學(xué)Andrea Alu教授團(tuán)隊(duì)，長春光機(jī)所黎大兵研究員團(tuán)隊(duì)、張志宇研究員、田思聰研究員，和北京大學(xué)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(duì)于豎直表面而言，其法向方向是大氣透過率最低的方向，導(dǎo)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(huì)吸收太陽的直接照射，還會(huì)吸收來自地面反射的太陽光。這些因素進(jìn)一步對(duì)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(yán)苛的要求。

圖2.AS發(fā)射器件的設(shè)計(jì)

據(jù)此，該研究從太陽反射率、大氣透明窗口內(nèi)的光譜選擇性、熱輻射角度非對(duì)稱特性協(xié)同設(shè)計(jì)，以熱力學(xué)、互易性、波導(dǎo)以及聲子激化共振等理論為基礎(chǔ)，利用跨尺度對(duì)稱破缺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱輻射在空間角度上的非對(duì)稱分布以及在光譜上的選擇性調(diào)控。

具體來說，首先，研究人員設(shè)計(jì)了打破鏡面對(duì)稱性的鋸齒光柵結(jié)構(gòu)，其傾斜表面最外側(cè)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(duì)稱的熱輻射特性。值得注意的是，由于熱力學(xué)和互易性的限制，鋸齒光柵周期必須遠(yuǎn)大于波長才能實(shí)現(xiàn)角度非對(duì)稱并支持光耦合的準(zhǔn)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(jìn)入鋸齒光柵內(nèi)部，從而避免由多次反射造成的太陽光吸收。此外，為了進(jìn)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(jié)構(gòu)表面。Ag層和nanoPE薄膜的結(jié)合可以在整個(gè)太陽光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈反射。與此同時(shí)，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(jì)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(duì)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(yàn)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(jìn)行了24小時(shí)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(shí)驗(yàn)與理論分析

此外，為探究AS發(fā)射器在實(shí)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(diào)控能力，通過改變鋸齒光柵的寬高比，可以很容易地調(diào)控?zé)彷椛涞陌l(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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之外，該研究還從理論上分析了考慮建筑間熱輻射時(shí)，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(duì)輻射制冷的實(shí)際應(yīng)用、節(jié)能減排具有重大意義;同時(shí)突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控能力，展現(xiàn)了高自由度的熱光子學(xué)操控能力，為操控?zé)崃骱托畔?如新型的高效冷卻、加熱、能量傳輸以及在空間光學(xué)系統(tǒng)中的高精度熱控等)提供了嶄新機(jī)遇。

審核編輯 黃宇