我要降十度!

■一個美國的研究團隊開發出了一種新材料,可以把所有接觸到的表面進行有效降溫,最多可以降低攝氏十度。

©Y. Zhai et al., Science 355, 6325

撰文|陳勁豪

台灣的夏天幾乎天天都在挑戰大家的耐熱極限,只要走在路上就好像人拿著吹風機一直對著你的頭吹熱風。而室內因為建築物一直被太陽曝曬,所以整棟樓的室內溫度也是會居高不下。為了解決這種問題,我們直覺的反應就是冷氣打開,躲到冷氣房裡去。

不過冷氣雖然可以提供涼爽的空間,但是這種冷卻方式需要利用能量來降溫(用電運轉冷氣機),而且會有個副作用,就是產生出的熱能會排到空氣中,讓空氣變熱。當周遭的空氣溫度上升,物體冷卻的效率自然不會太好。所以要想辦法對物體降溫,又不想用外加能量的方法(例如開冷氣)降溫的話,一個方法就是被動降溫。

事實上,所有的物體都會透過熱輻射把熱量發散到外界環境中。這個發散熱輻射的過程其實什麼事情都不用作,物體就會被被動的把熱量排到周遭環境內,達到降溫的效果。

只是這些熱輻射的波長通常都落在空氣分子可以吸收的範圍,所以物體發射出的熱輻射等於是在加溫空氣分子,讓你的周遭環境變熱,導致降溫效果相當糟糕,基本上沒有用。因此,當我們在抱怨房間很熱的時候,我們其實也透過了我們自己的熱輻射為房間的高溫貢獻了一份力量……

美國 University of Colorado in Boulder 的材料學家 Xiaobo Yin 跟他的合作夥伴開發出了一種新材料。這個材料的概念是先吸收物體所發射出來的熱輻射,然後把這些吸收到的熱量以紅外線的形式放出去。關鍵在於放出的遠紅外線幾乎不落在空氣分子會吸收的範圍,所以這些遠紅外線不會被空氣分子吸收,自然也不會加熱空氣分子,而可以把這些多餘的熱量直接一路排到外太空去。

他們所開發出來的材料是將直徑約8微米的玻璃粉末(約略跟紅血球大小相當)與透明塑膠聚甲基戊烯(Polymethylpentene)混合起來,並將之製作成一款只有50微米厚的薄膜。當熱輻射照射到這層薄膜的時候,這些玻璃粉末會吸收熱輻射,並放出波長約為10微米的紅外線。這種紅外線基本上不會被空氣分子吸收,所以有相當好的冷卻效果。

但是如果要得到最好的冷卻效果,作法就是把這層薄膜鍍上一層銀膜作為反射層。原因很簡單,物體降溫的方法就是不要吸收熱量,而且要能快速的把所含的熱量排掉。不要吸收熱量的話,以室外物體而言,自然就是把太陽光擋掉。透過鍍上銀膜,這種新材料可以有效的把太陽光反射掉,再加上可以把吸收到的熱量以紅外線的形式排掉,所以當他們把這個薄膜拿到太陽下面去測試的時候,他們的這個新材料可以讓物體的溫度比環境溫度低了10度。

這種材料可以想像會對很多領域造成影響,例如廣泛的貼在建築物或是汽車等時常受到陽光曝曬的物品上,或是貼在太陽能電池上,降低太陽能電池面板表面的溫度以得到更高的效率。

更重要的是,這種材料的製作方法相當簡單,基本上就像是加了特定大小的玻璃粉末的塑膠袋,所以具有可以大量製造的可能性。所以或許這種新的被動降溫方式將有可能對我們的生活造成重要影響,不但讓我們的生活更涼爽,而且也可以減少我們因為降溫而對能源的需求。

原始論文
Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling
Science  10 Mar 2017:
Vol. 355, Issue 6329, pp. 1062-1066
DOI: 10.1126/science.aai7899

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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