前不久，筆者在上網(wǎng)瀏覽時(shí)，無意中發(fā)現(xiàn)一位網(wǎng)友這樣一條微博。
顯然，這位網(wǎng)友對《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》介紹的薄膜降溫很不以為然，認(rèn)為這是違背熱力學(xué)第二定律的胡扯。那么真相究竟如何呢？
《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》介紹的這種新型降溫手段[1]來自于美國科羅拉多大學(xué)華人學(xué)者尹曉波和楊榮貴的研究團(tuán)隊(duì)去年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文[2]。在這篇論文中，研究人員介紹了他們開發(fā)的一種新材料，無需外界能量就可以在白天日照存在的情況下實(shí)現(xiàn)降溫。那么這種新材料是如何發(fā)揮作用的呢？
我們知道，太陽無時(shí)無刻不在向外散發(fā)電磁輻射。這些輻射被物體吸收后，就可以轉(zhuǎn)化為熱能，使得物體溫度升高。事實(shí)上，不僅太陽，任何溫度高于絕對零度的物體都會(huì)以電磁波輻射的形式向周圍環(huán)境散發(fā)熱量，這就是通常所說的黑體輻射。因此，地球表面的物體一方面吸收來自太陽的電磁輻射，另一方面又以電磁輻射的方式向外散熱，最終溫度是升高還是降低，自然取決于兩種力量的對比。物理學(xué)家告訴我們，一個(gè)黑體單位面積能夠釋放出的能量與黑體溫度（以熱力學(xué)溫標(biāo)即絕對溫度計(jì)算，單位為K）的四次方成正比。太陽的表面溫度近6000K，而地表物體的溫度不過300多K，所以太陽熱輻射的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地表物體。特別是在夏季，太陽直射，陽光被大氣削弱的比較少，很容易就造成地表物體溫度升高。這個(gè)時(shí)候，我們往往就需要電扇、空調(diào)等方式幫助降溫，而這些手段通常需要外界提供能源。
如果我們設(shè)法讓一個(gè)物體將太陽光反射或者散射掉，它就無法從陽光中獲取熱量，而它向外界散發(fā)熱量的過程仍然不受影響。這樣一來，這個(gè)物體是不是即便在炎熱的夏季也能保持自身涼爽呢？理論上講確實(shí)如此，這就是通常所說的輻射降溫。但實(shí)際上，因?yàn)樘枱彷椛涞哪芰?shí)在太強(qiáng)，哪怕只有一小部分日光被物體吸收，仍然有可能造成物體溫度的顯著升高。例如夏天穿白色的衣服會(huì)比穿黑色的衣服更涼快，就是因?yàn)榘咨路軌蚋玫厣⑸潢柟?。但即便我們穿了白色衣服，站在夏日的室外仍然可能覺得炎熱難耐。有研究人員估算，要想完全不借助外界降溫手段僅憑輻射散熱降溫，物體對陽光的反射率至少要達(dá)到94%左右[3]，這在常規(guī)材料中是很難實(shí)現(xiàn)的，要想達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，只能借助于具有微觀結(jié)構(gòu)的新材料。
除了高反射率，要想實(shí)現(xiàn)良好的輻射降溫效果，我們還必須讓物體散發(fā)出的熱輻射盡可能不被地球大氣層吸收，否則地表物體散發(fā)出的熱量一部分被大氣吸收后又折返會(huì)地面，這也會(huì)讓輻射降溫的效果大打折扣。因此，我們需要讓熱輻射主要以波長為8-13微米的紅外線的形式散發(fā)，這個(gè)波段的紅外線很難被大氣層吸收，可以直達(dá)外太空。這一要求在常規(guī)材料中也很難實(shí)現(xiàn)，同樣需要借助于微觀結(jié)構(gòu)。
正是循著這個(gè)思路，在2014年，美國斯坦福大學(xué)華人學(xué)者范善輝教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)首次讓白天的輻射降溫成為可能。他們在硅的表面先鍍上一層對陽光具有很強(qiáng)反射能力的金屬銀，然后在銀的表面交替沉積上厚度在幾十至幾百納米之間的二氧化硅和二氧化鉿的薄膜。最終得到的裝置不僅能夠?qū)⒏哌_(dá)97%的太陽光反射掉，而且其熱輻射也集中在波長為8-13微米的紅外線，因此具有很好的輻射降溫效果。實(shí)驗(yàn)表明，即便面對直射的日光，這種裝置的溫度仍然可以比地表大氣溫度低約5oC. 這項(xiàng)研究隨后發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)刊物《自然》上[3]，其重要意義可見一斑。
范善輝教授研究小組通過特殊的納米結(jié)構(gòu)來保證白天輻射降溫的效果
（圖片引自參考文獻(xiàn)[3]）
然而這種新材料的一大缺陷是其生產(chǎn)過程需要使用復(fù)雜昂貴的加工設(shè)備，不適合大規(guī)模的推廣。因此，尹曉波和楊榮貴兩位學(xué)者帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。他們的方法是在塑料薄膜內(nèi)摻入二氧化硅的微粒，同時(shí)在塑料薄膜的一面鍍上銀的薄膜。這樣形成的材料同樣滿足了高反射率和熱輻射不被大氣吸收這兩條要求，因此可以實(shí)現(xiàn)類似的輻射降溫效果，但與前面的例子相比，其生產(chǎn)工藝要簡便得多，成本也大大降低[2]。
尹曉波和楊榮貴兩位華人學(xué)者開發(fā)出的能夠?qū)崿F(xiàn)白天輻射降溫的塑料薄膜
（圖片引自參考文獻(xiàn)[2]）
所以，所謂薄膜降溫，實(shí)際上是通過特殊的設(shè)計(jì)盡量避免薄膜升溫，從而讓輻射降溫的效果最大化。顯然，這種降溫手段不是什么胡扯，更不違反熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律描述的是熱力學(xué)過程的不可逆性，即熱量總是自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞，而薄膜降溫所依賴的輻射降溫正是這樣一個(gè)自發(fā)的過程。因此，薄膜降溫被稱為被動(dòng)降溫。
不過，薄膜降溫不是騙局，并不意味著這項(xiàng)技術(shù)可以立即投入實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，關(guān)于這項(xiàng)研究進(jìn)展的報(bào)道也難免存在夸大之處。例如《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》的報(bào)道中提到“研究小組估計(jì)，在美國一棟普通房子的屋頂鋪設(shè)20平方米這種薄膜，就足以在室外溫度達(dá)37°C時(shí)把室內(nèi)溫度保持在20°C”，但原始論文中并沒有給出這樣的估算，只是測算了塑料薄膜的降溫效率。實(shí)際上《科學(xué)》雜志發(fā)表這一研究時(shí)配發(fā)的業(yè)內(nèi)人士評論就指出，這種塑料薄膜輻射降溫的功率并不算太高[4]。因此，用這種薄膜來完全代替空調(diào)等效率更高的降溫手段恐怕是不現(xiàn)實(shí)的。但即便如此，這種新材料的積極作用仍然應(yīng)該給與肯定。據(jù)估算，僅僅在美國，每年空調(diào)制冷消耗的能源占到發(fā)電量的6%左右，由此導(dǎo)致的二氧化碳排放超過1億噸[4]。哪怕能夠通過高效的輻射降溫分擔(dān)一小部分由空調(diào)擔(dān)負(fù)的制冷需求，在節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境上的正面作用仍然會(huì)是相當(dāng)可觀的。
這種新型塑料薄膜如果要投入實(shí)際應(yīng)用，還必須解決的一個(gè)問題是產(chǎn)品的耐久性。如果將這種塑料薄膜直接鋪在建筑物的屋頂或者墻體，時(shí)間長了，塑料表面不僅會(huì)吸附灰塵污垢，而且風(fēng)雨的侵蝕還可能導(dǎo)致塑料破裂，這些都會(huì)導(dǎo)致塑料薄膜的降溫效果大幅下降。要想保證塑料薄膜的性能保持長期穩(wěn)定，我們可以考慮定期更換塑料膜，或者用其它材料將塑料薄膜封裝保護(hù)起來，但這會(huì)不會(huì)顯著增加生產(chǎn)成本或者降低降溫效果？這是研究人員接下來必須要考慮的。
最后，筆者需要指出的是，像《科學(xué)》、《自然》這樣的刊物，雖然貴為世界頂級學(xué)術(shù)刊物，所登載的學(xué)術(shù)論文大多仍然以基礎(chǔ)研究為主。這些研究的主要目的是為存在的問題提供可能的解決方案，指明進(jìn)一步的研究方向，但本身通常并不提供成熟的產(chǎn)品。因此，我們應(yīng)該學(xué)會(huì)理性看待基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的進(jìn)展，既不應(yīng)該將新的突破一味視為“胡扯”、“騙局”，也應(yīng)該避免作過度的解讀。
參考資料：
[1] 《新型環(huán)保薄膜，讓炎夏和空調(diào)說拜拜》http://chuansong.me/n/1871827733622，此文為翻譯《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》的英文報(bào)道https://www.economist.com/news/science-and-technology/21716599-film-worth-watching-how-keep-cool-without-costing-earth
[2] Yao Zhai, Yaoguang Ma, Sabrina N. David, Dongliang Zhao, Runnan Lou, Gang Tan, Ronggui Yang, Xiaobo Yin, “Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling”, Science, 2017, 355, 1062
[3] Aaswath P. Raman, Marc Abou Anoma, Linxiao Zhu, Eden Rephaeli, Shanhui Fan, “Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight”, Nature, 2014, 515, 540
[4] Xiang Zhang, “Metamaterials for perpetual cooling at large scales”, Science, 2017, 355, 1023
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