?圖1 撒哈拉銀蟻
導(dǎo)讀：
高溫天氣持續(xù)數(shù)日，覆蓋南北，而且接下來的整個夏天我們還要繼續(xù)忍受熱浪。如何保持涼爽？不僅事關(guān)人體健康舒適，也關(guān)系到建筑物的耗能、汽車的制冷、制冷冷凝設(shè)備的運行、甚至于地球的溫室效應(yīng)。
和我們一樣生活在這個地球上的生物在長期的進(jìn)化歷程中給了我們很多的啟示，例如生活在撒哈拉沙漠的銀蟻通過被動輻射制冷在極端炎熱的環(huán)境中保持涼快。
使用相同的原理，最近科學(xué)家做出了一種價格便宜、生成簡單的輻射制冷超材料，可以在夏天的中午提供100瓦每平方米的制冷量。也許有一天我們在夏天就不再需要空調(diào)，實現(xiàn)真正的“不插電”制冷了。
撰文 | 程哲、趙博
責(zé)編 | 程莉
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對人類來說，散熱是一個永恒的話題，大到地球的散熱（溫室效應(yīng)），小到手機(jī)芯片和電池的散熱（某款手機(jī)爆炸）。
換熱有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。把一根鐵棒的一端放在火上烤，另一端會很燙，這就是熱傳導(dǎo)。大冬天在有風(fēng)的位置比沒有風(fēng)的位置要冷，這就是熱對流。把手放在火堆邊上會感覺到熱，這就是熱輻射。
不管哪種換熱方式換熱，都需要一個前提條件，那就是溫度差。根據(jù)傳說中的熱力學(xué)第二定律，熱會從熱源傳到冷源。當(dāng)周圍環(huán)境溫度和我們身體溫度差不多甚至更高時，身體的散熱就比較困難，這也就是我們在夏天經(jīng)常需要通過額外途徑保持涼爽的原因。
在這樣的天氣里，你可能會去吃雪糕、洗澡、吹空調(diào)，但應(yīng)該不會穿一件毛衣站在太陽底下吧？然而，地球上有一種生物——撒哈拉銀蟻，他們偏偏就穿了一件獨特的“毛衣”，從而可以在極端炎熱的環(huán)境中保持涼爽并且繁衍生息，這到底是怎么回事呢？
如果你在沙漠里看到撒哈拉銀蟻（圖1），它可能正在以相當(dāng)于人類每小時450公里的速度奔跑[1]。別怕，這是他們捕食的標(biāo)準(zhǔn)動作。撒哈拉沙漠的中午地表溫度超過70攝氏度，這個時候銀蟻會出來以極快的速度移動以捕食熱暈的昆蟲。
環(huán)境這么熱，它們還能跑這么快，怎么就沒有熱成狗呢？聯(lián)系上一節(jié)我們提到的換熱溫差，對于銀蟻來說，周圍環(huán)境的溫度比自身溫度還要高，螞蟻也不會出汗，所以不僅散不了熱，環(huán)境還會通過熱傳導(dǎo)和熱對流傳熱量給銀蟻。怎么辦呢？那就只能指望熱輻射了[1, 3]。
熱輻射其實是一種電磁波（你的手機(jī)現(xiàn)在就在發(fā)射電磁波，一種是屏幕可見光，它發(fā)射到你的眼睛里，這也就是你會看到這行字的原因。另一種是紅外熱輻射，但是人的肉眼看不見它）。電磁波的傳播是不需要介質(zhì)的，可以長距離傳輸。作為一種波，電磁波有自己的波譜（圖2）。所有的物體都會發(fā)射電磁波，其中最強烈的波長和它自身的溫度成反比。比如太陽的表面溫度大約是5500攝氏度，它發(fā)射最強烈的波段就位于可見光范圍內(nèi)（400-760 納米），而地球表面的物體溫度約為25度，發(fā)射最強烈的波段就位于紅外（8-10 微米）。
?圖2. 電磁波譜 [2]
了解完熱輻射的基本知識，我們發(fā)現(xiàn)，銀蟻面對的不僅是酷熱的沙漠，還有頭頂毒辣的太陽的輻射。這些熱量怎么散出去呢？秘訣就是，把熱散到外太空中去并且把太陽發(fā)出來的光都反射回去，因為外太空的溫度是零下200多度（極冷的冷源哦）。
但是銀蟻和外太空之間隔著一個厚厚的大氣層，大氣層里面的各種氣體會吸收不同波長的電磁波（圖3）。非常精妙的是，在紅外波段，大氣層對8-13微米的電磁波是透明的（高透射率），這個波段也就被稱為紅外大氣透明窗口。地球表面發(fā)出的在這個波段里面的電磁波都可以穿過大氣層直接傳到外太空。這個波段正好和地球上物體的熱輻射波段吻合，而這個吻合讓銀蟻和外太空直接換熱變成可能。
在漫長的進(jìn)化過程中，想要在撒哈拉沙漠中不被熱死，撒哈拉銀蟻進(jìn)化出了一身自己獨特的“毛衣”——覆蓋身體頂部和側(cè)面的“銀發(fā)”（見圖4）。這些銀色毛發(fā)可以減弱環(huán)境空氣向它對流傳熱。更為神奇的是，這些毛發(fā)可以直接向外太空發(fā)散熱輻射來保持身體涼快[3]。
?圖4. 撒哈拉銀蟻的銀發(fā)[3]
研究發(fā)現(xiàn)這些銀發(fā)（圖5）在太陽光波段是高反性的，三角形截面的毛發(fā)相當(dāng)于一個反射涂層，可以把照在它身上的大部分太陽光反射掉。這種在可見光波段內(nèi)的高反射率讓銀蟻看起來就像沙漠中一個個滾動的銀珠。同時，這種毛發(fā)結(jié)構(gòu)在熱輻射的紅外波段卻是高發(fā)射率的，而這個波段正好是銀蟻向外熱輻射的波段，因此這些熱輻射可以直接散到天空中去[3]。這樣既減少了吸收太陽光的熱量，又散掉了自己身上的熱量。這些進(jìn)化出的毛發(fā)使銀蟻在酷熱的環(huán)境中保持涼爽從而生存下來。
?圖5. 三角形截面的整齊的毛發(fā)[3]
其實在七十年代，就有人開始嘗試?yán)猛馓諄砩崃?，但是一直無法做到在太陽直射時制冷。
2014年，斯坦福大學(xué)Shanhui Fan教授課題組在Nature上發(fā)表工作，將納米光學(xué)和熱輻射控制結(jié)合，提出通過在納米尺度設(shè)計多層材料，達(dá)到在太陽光波段內(nèi)高反射，在8-13 微米強發(fā)射的效果，有效實現(xiàn)了太陽直射時被動的“不插電”制冷。這種結(jié)構(gòu)在很多場合都有獨特的應(yīng)用前景。例如，將它們放在房頂，相較于沒有納米涂層，可以在中午陽光直射時將房頂降溫5度[5-6]。
這些納米材料雖好，但是必須要在超凈實驗室里面完成整個制作過程，成本較高，制造相對復(fù)雜。最近Science上發(fā)表了一個很有意思的工作。作者把玻璃小球混合在透明塑料里面，然后在背面鍍一層銀。太陽光透過透明塑料被銀鍍層反射回去。而玻璃小球（主要成分是二氧化硅）可以激發(fā)波長在10微米左右的聲子激元，這就導(dǎo)致整個薄膜在10微米附近具有很大的吸收率（發(fā)射率）[7]。這樣的薄膜在可見光范圍具有高反射率，在8-13微米范圍內(nèi)具有高發(fā)射率，使得薄膜發(fā)射的紅外輻射可以直接穿過大氣層散到外太空去。
這種方法不需要復(fù)雜的納米超材料制作過程，便宜并且易于制造，白天和晚上都可以工作，平均制冷功率在100瓦每平方米左右，非常具有應(yīng)用前景。這將在建筑物、汽車的節(jié)能制冷，制冷冷凝設(shè)備的運行，減少溫室氣體排放等方面帶來巨大的推動作用。
參考文獻(xiàn)：
[1]. http://baike.baidu.com/view/12373764.htm
[2].https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2%E8%AD%9C
[3]. Shi, Norman Nan, et al. 'Keeping cool: Enhanced optical reflection and radiative heat dissipation in Saharan silver ants.' Science 349.6245 (2015): 298-301.
[4]. https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_window
[5]. Raman, Aaswath P., et al. 'Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight.' Nature 515.7528 (2014): 540-544.
[6]. Chen, Zhen, et al. 'Radiative cooling to deep sub-freezing temperatures through a 24-h day–night cycle.' Nature Communications 7 (2016).
[7]. Zhai, Yao, et al. 'Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling.' Science (2017): eaai7899.
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