大热天穿“毛衣”：神奇的“不插电”制冷

►图1 撒哈拉银蚁

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导读：

高温天气持续数日，覆盖南北，而且接下来的整个夏天我们还要继续忍受热浪。如何保持凉爽？不仅事关人体健康舒适，也关系到建筑物的耗能、汽车的制冷、制冷冷凝设备的运行、甚至于地球的温室效应。

和我们一样生活在这个地球上的生物在长期的进化历程中给了我们很多的启示，例如生活在撒哈拉沙漠的银蚁通过被动辐射制冷在极端炎热的环境中保持凉快。

使用相同的原理，最近科学家做出了一种价格便宜、生成简单的辐射制冷超材料，可以在夏天的中午提供100瓦每平方米的制冷量。也许有一天我们在夏天就不再需要空调，实现真正的“不插电”制冷了。

撰文 |程哲、赵博

责编 | 程莉

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天热穿“毛衣”？

对人类来说，散热是一个永恒的话题，大到地球的散热（温室效应），小到手机芯片和电池的散热（某款手机爆炸）。

换热有三种方式：热传导、热对流、热辐射。把一根铁棒的一端放在火上烤，另一端会很烫，这就是热传导。大冬天在有风的位置比没有风的位置要冷，这就是热对流。把手放在火堆边上会感觉到热，这就是热辐射。

不管哪种换热方式换热，都需要一个前提条件，那就是温度差。根据传说中的热力学第二定律，热会从热源传到冷源。当周围环境温度和我们身体温度差不多甚至更高时，身体的散热就比较困难，这也就是我们在夏天经常需要通过额外途径保持凉爽的原因。

在这样的天气里，你可能会去吃雪糕、洗澡、吹空调，但应该不会穿一件毛衣站在太阳底下吧？然而，地球上有一种生物——撒哈拉银蚁，他们偏偏就穿了一件独特的“毛衣”，从而可以在极端炎热的环境中保持凉爽并且繁衍生息，这到底是怎么回事呢？

和外太空直接换热的撒哈拉银蚁

如果你在沙漠里看到撒哈拉银蚁（图1），它可能正在以相当于人类每小时450公里的速度奔跑[1]。别怕，这是他们捕食的标准动作。撒哈拉沙漠的中午地表温度超过70摄氏度，这个时候银蚁会出来以极快的速度移动以捕食热晕的昆虫。

环境这么热，它们还能跑这么快，怎么就没有热成狗呢？联系上一节我们提到的换热温差，对于银蚁来说，周围环境的温度比自身温度还要高，蚂蚁也不会出汗，所以不仅散不了热，环境还会通过热传导和热对流传热量给银蚁。怎么办呢？那就只能指望热辐射了[1, 3]。

热辐射其实是一种电磁波（你的手机现在就在发射电磁波，一种是屏幕可见光，它发射到你的眼睛里，这也就是你会看到这行字的原因。另一种是红外热辐射，但是人的肉眼看不见它）。电磁波的传播是不需要介质的，可以长距离传输。作为一种波，电磁波有自己的波谱（图2）。所有的物体都会发射电磁波，其中最强烈的波长和它自身的温度成反比。比如太阳的表面温度大约是5500摄氏度，它发射最强烈的波段就位于可见光范围内（400-760 纳米），而地球表面的物体温度约为25度，发射最强烈的波段就位于红外（8-10 微米）。

►图2. 电磁波谱 [2]

了解完热辐射的基本知识，我们发现，银蚁面对的不仅是酷热的沙漠，还有头顶毒辣的太阳的辐射。这些热量怎么散出去呢？秘诀就是，把热散到外太空中去并且把太阳发出来的光都反射回去，因为外太空的温度是零下200多度（极冷的冷源哦）。

但是银蚁和外太空之间隔着一个厚厚的大气层，大气层里面的各种气体会吸收不同波长的电磁波（图3）。非常精妙的是，在红外波段，大气层对8-13微米的电磁波是透明的（高透射率），这个波段也就被称为红外大气透明窗口。地球表面发出的在这个波段里面的电磁波都可以穿过大气层直接传到外太空。这个波段正好和地球上物体的热辐射波段吻合，而这个吻合让银蚁和外太空直接换热变成可能。

►图3. 大气层透射率光谱[4] （横轴是波长，纵轴是透射率）

在漫长的进化过程中，想要在撒哈拉沙漠中不被热死，撒哈拉银蚁进化出了一身自己独特的“毛衣”——覆盖身体顶部和侧面的“银发”（见图4）。这些银色毛发可以减弱环境空气向它对流传热。更为神奇的是，这些毛发可以直接向外太空发散热辐射来保持身体凉快[3]。

►图4. 撒哈拉银蚁的银发[3]

研究发现这些银发（图5）在太阳光波段是高反性的，三角形截面的毛发相当于一个反射涂层，可以把照在它身上的大部分太阳光反射掉。这种在可见光波段内的高反射率让银蚁看起来就像沙漠中一个个滚动的银珠。同时，这种毛发结构在热辐射的红外波段却是高发射率的，而这个波段正好是银蚁向外热辐射的波段，因此这些热辐射可以直接散到天空中去[3]。这样既减少了吸收太阳光的热量，又散掉了自己身上的热量。这些进化出的毛发使银蚁在酷热的环境中保持凉爽从而生存下来。

►图5. 三角形截面的整齐的毛发[3]

新型被动制冷超材料

其实在七十年代，就有人开始尝试利用外太空来散热了，但是一直无法做到在太阳直射时制冷。

2014年，斯坦福大学Shanhui Fan教授课题组在Nature上发表工作，将纳米光学和热辐射控制结合，提出通过在纳米尺度设计多层材料，达到在太阳光波段内高反射，在8-13 微米强发射的效果，有效实现了太阳直射时被动的“不插电”制冷。这种结构在很多场合都有独特的应用前景。例如，将它们放在房顶，相较于没有纳米涂层，可以在中午阳光直射时将房顶降温5度[5-6]。

这些纳米材料虽好，但是必须要在超净实验室里面完成整个制作过程，成本较高，制造相对复杂。最近Science上发表了一个很有意思的工作。作者把玻璃小球混合在透明塑料里面，然后在背面镀一层银。太阳光透过透明塑料被银镀层反射回去。而玻璃小球（主要成分是二氧化硅）可以激发波长在10微米左右的声子激元，这就导致整个薄膜在10微米附近具有很大的吸收率（发射率）[7]。这样的薄膜在可见光范围具有高反射率，在8-13微米范围内具有高发射率，使得薄膜发射的红外辐射可以直接穿过大气层散到外太空去。

这种方法不需要复杂的纳米超材料制作过程，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，非常具有应用前景。这将在建筑物、汽车的节能制冷，制冷冷凝设备的运行，减少温室气体排放等方面带来巨大的推动作用。

参考文献：

[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.

作者简介：

程哲，美国佐治亚理工学院机械系博士生（2015至今）；研究方向为电子器件散热、热测量技术、光物质耦合、电子声子传输等，发表文章十余篇。获得过宝钢奖学金优秀学生特等奖、夏安世－西克奖学金等。大神除了是学术大牛，还对中西方哲学、宗教、武术、历史文化等有浓厚兴趣，欢迎大家交流，邮箱：zcheng@gatech.edu.

赵博，中国科大力学系本科（2007-2011），美国佐治亚理工学院机械系博士（2011-2016），斯坦福大学博士后（2017至今）；研究方向为近场和远场热辐射，电磁超材料、二维材料的辐射特性等，发表文章十余篇，为Nature Communications等杂志审稿人。热爱自然科学，喜欢畅想未来。欢迎大家交流，邮箱：bzhao89@stanford.edu.

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