一種新的受甲蟲啟發(fā)的陶瓷輻射涂層應(yīng)用于房屋屋頂，圖片來源：香港城市大學(xué)
隨著全球氣溫持續(xù)上升，面臨與高溫有關(guān)的疾病和死亡風(fēng)險(xiǎn)的人比以往任何時(shí)候都多。雖然空調(diào)似乎是一種解決方案，但使用這項(xiàng)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致氫氟碳化物和溫室氣體的排放，從而推動(dòng)氣候變化。因此需要其他不會(huì)產(chǎn)生任何排放的冷卻方法。
輻射涂層可以在不使用機(jī)械制冷設(shè)備的情況下提供被動(dòng)冷卻。這些涂層旨在反射太陽輻射并向寒冷的外太空發(fā)射熱輻射，從而實(shí)現(xiàn)無電自發(fā)冷卻。近年來，研究人員在輻射涂層方面取得了許多進(jìn)展，這在很大程度上要?dú)w功于微納加工方面的創(chuàng)新。今天的CTT概述了最近發(fā)表在《科學(xué)》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(shù)來開發(fā)新的輻射涂層。
受甲蟲啟發(fā)的陶瓷涂層實(shí)現(xiàn)了近乎完美的太陽反射率
香港幾所大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，其靈感來自Cyphochilus甲蟲。Cyphochilus甲蟲原產(chǎn)于東南亞，被認(rèn)為是地球上最白的昆蟲。它的著色是由于覆蓋甲蟲整個(gè)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(gè)高度連接且致密的幾丁質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，即一種長鏈聚合物，可為甲殼類動(dòng)物、昆蟲的外骨骼和真菌的細(xì)胞壁提供強(qiáng)度。甲殼素的散射效率極高，導(dǎo)致超白外觀。
以前的研究，例如這里，已經(jīng)從Cyphochilus甲蟲中汲取靈感，以創(chuàng)造可持續(xù)和生物相容的超白涂層。但這項(xiàng)新研究通過創(chuàng)造一種既美觀又實(shí)用的涂層，將這一靈感向前推進(jìn)了一步。
香港研究人員通過一種可以很容易地進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)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(jié)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(chuàng)紀(jì)錄的 99.6% 的太陽反射率外，最終的氧化鋁涂層還表現(xiàn)出 96.5% 的紅外熱發(fā)射，并可承受超過 1,000°C （1,832°F） 的溫度。當(dāng)應(yīng)用于房屋屋頂時(shí)，該涂層將用于空間冷卻的電量減少了 20%。
受甲蟲啟發(fā)的不同顏色的陶瓷輻射涂層樣品，圖片來源：香港城市大學(xué)
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(shí)現(xiàn) 95% 以上的反射率。傳統(tǒng)的高性能屋頂冷卻涂料通常需要厚度大于 1 毫米。
2、機(jī)械強(qiáng)度高，該涂層表現(xiàn)出超過 100 MPa 的高機(jī)械強(qiáng)度（建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(huán)境冷卻，即使在中午（上午 11 點(diǎn)至下午 2 點(diǎn)之間）左右，該涂層也能實(shí)現(xiàn) 4°C 以上的低于環(huán)境冷卻，與白色商業(yè)瓷磚相比，溫度更低。
5、要么親水，要么疏水，通過用有機(jī)硅化合物浸漬，涂層可以從超親水性（被水吸引）轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷裕ㄅ懦馑Ｍ繉拥倪@種變化只會(huì)導(dǎo)致太陽反射率的小幅下降。
6、對(duì)環(huán)境刺激有抵抗力，該涂層在用氟硅烷處理時(shí)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(xué)特性的新材料。
8、顏色選項(xiàng)，涂層可以使用雙層設(shè)計(jì)著色，同時(shí)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(qū)域的反射率分別為 95%、96% 和 87%。
香港城市大學(xué)Chi Yan Tso在一份大學(xué)新聞稿中說：“[這項(xiàng)研究]證實(shí)了冷卻陶瓷在減少人們對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)冷卻策略的依賴方面的巨大潛力，并為避免電網(wǎng)過載、溫室氣體排放和城市熱島提供了可持續(xù)的解決方案。該論文發(fā)表在《科學(xué)》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(shí)現(xiàn)溫度下降
馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）和威斯康星大學(xué)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(dá)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(guī)粘合劑形成堅(jiān)固的多孔支撐框架，而氧化鋁顆粒則在制造過程中強(qiáng)烈散射光并防止多孔結(jié)構(gòu)致密化。
在約600°C下燒結(jié)后，玻璃顆粒形成互聯(lián)的介孔結(jié)構(gòu)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40-60 wt.%。涂層厚度需要大于 500 μm 才能實(shí)現(xiàn)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(duì)不同的涂層技術(shù)進(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致太陽反射率略低。在噴涂涂料中將氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到約60 wt.%，在約500 μm的厚度下實(shí)現(xiàn)了超過96%的太陽反射率。
馬里蘭大學(xué)杰出教授胡良兵（左）和助理研究科學(xué)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(xué)
玻璃輻射鍍膜的其他優(yōu)點(diǎn)包括：
1、在大氣透明度窗口中結(jié)合了高太陽反射率 （>96%） 和高紅外發(fā)射率 （95%）。
2、即使在高濕度條件下（高達(dá) 80%），中午和夜間也能分別降低約 3.5°C 和 4°C。
3、當(dāng)應(yīng)用于屋面時(shí)，每年可減少約10%的二氧化碳排放量，使舊建筑平均每年節(jié)省約350美元，新建筑平均每年節(jié)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(diǎn)（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(jī)染料以產(chǎn)生粉紅色、綠色和黃色，同時(shí)保持 90% 至 95% 的太陽反射率特性。
“這是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)，它簡化了我們保持建筑物涼爽和節(jié)能的方式，”第一作者、馬里蘭大學(xué)助理研究科學(xué)家趙新鵬在大學(xué)新聞稿中總結(jié)道。研究人員成立了一家名為CeraCool的初創(chuàng)公司，以擴(kuò)大玻璃鍍膜技術(shù)的規(guī)模并將其商業(yè)化。
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