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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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長春光機所等在無能耗制冷領(lǐng)域研發(fā)方面取得進展

2024-11-15 長春光學精密機械與物理研究所

【字體：大中小】

語音播報

熱輻射是自然界中最重要的能量傳遞方式之一。而傳統(tǒng)的黑體輻射因非定向、非相干、寬光譜、無偏振等固有特性，致使輻射體與其周圍所有物體均進行熱量交換，制約了傳熱效率和熱流操控能力，限制了其實際應(yīng)用。

以輻射制冷為例，過往的輻射制冷器件通常呈現(xiàn)出全向的熱輻射特性，僅適用于開闊的水平表面如屋頂，來最大限度面向溫度較低的天空，并盡可能隔絕器件與地面、周圍物體、大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量交換。當它們被用于豎直表面如墻面、衣物、車輛側(cè)面等實際場景時，器件面向低溫天空的視場角縮小，需要大量吸收地面、周圍物體以及大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量，導致其亞環(huán)境輻射制冷失效。盡管近年來有國際團隊嘗試調(diào)控熱輻射的光譜或角度，但豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷仍然面臨挑戰(zhàn)。

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員李煒團隊與合作者，利用熱光子學手段，實現(xiàn)了熱輻射角度和光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控，設(shè)計出具有跨尺度對稱破缺性、角度非對稱光譜選擇性的定向發(fā)射器件——AS發(fā)射器件，實現(xiàn)了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷。相關(guān)研究成果以Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces為題，發(fā)表在《科學》（Science）上。

研究發(fā)現(xiàn)，大氣透過率隨天頂角增大而減小，對于豎直表面而言，其法向方向是大氣透過率最低的方向，導致其極限制冷功率僅為~40 W m^-2；與水平表面相比，豎直表面吸收太陽的直接照射以及地面反射的太陽光。這些因素進一步對豎直表面的太陽光反射率以及紅外熱輻射的角度和光譜特性提出了更嚴苛的要求。

該研究從太陽反射率、大氣透明窗口內(nèi)的光譜選擇性、熱輻射角度非對稱特性協(xié)同設(shè)計，以熱力學、互易性、波導和聲子激化共振等理論為基礎(chǔ)，利用跨尺度對稱破缺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了熱輻射在空間角度上的非對稱分布以及在光譜上的選擇性調(diào)控。

科研人員設(shè)計了打破鏡面對稱性的鋸齒光柵結(jié)構(gòu)。鋸齒光柵結(jié)構(gòu)的傾斜表面最外側(cè)的Ag層可抑制地面發(fā)射的熱輻射，而其橫向表面上的SiN層可以向天空發(fā)射光譜選擇性熱輻射，從而提供角度非對稱的熱輻射特性。由于熱力學和互易性的限制，鋸齒光柵周期須大于波長才能實現(xiàn)角度非對稱并支持光耦合的準連續(xù)頻率覆蓋。同時，鋸齒光柵表面的Ag層可以阻擋太陽光進入鋸齒光柵內(nèi)部，從而避免多次反射造成的太陽光吸收。為進一步提高發(fā)射器在太陽光譜的反射率，一層孔隙尺寸為0.3-1 μm的多孔聚乙烯薄膜（nanoPE）被覆蓋在鋸齒結(jié)構(gòu)表面。Ag層和nanoPE薄膜的結(jié)合可以在整個太陽光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈反射。同時，nanoPE薄膜的深度亞波長孔隙尺寸使其在紅外波段具有可忽略不計的散射效率，確保了其較高的紅外透射率以及AS發(fā)射器的角度非對稱光譜選擇性輻射特性。

為驗證AS發(fā)射器的全天候輻射制冷性能，該研究在晴朗的夏季進行了24小時連續(xù)的室外溫度測量。在一整天中，AS發(fā)射器的表面溫度始終低于環(huán)境溫度。即使在炎熱的正午，AS發(fā)射器仍保持約2.5°C的亞環(huán)境輻射制冷性能，相較于常規(guī)高性能輻射制冷器件和商用白漆分別低4.3℃和8.9℃。同時，該研究揭示了AS發(fā)射器在任意朝向下始終保持亞環(huán)境輻射制冷性能。

進一步，為探討AS發(fā)射器在實際場景的制冷性能，該研究考慮建筑物之間的熱輻射影響，并將所有發(fā)射器均面向正午最熱的南向墻壁。得益于AS發(fā)射器的角度與光譜協(xié)同調(diào)控能力，通過改變鋸齒光柵的寬高比，可調(diào)控熱輻射的發(fā)射角度范圍。因此，即使考慮建筑物之間的熱輻射，AS發(fā)射器的亞環(huán)境輻射制冷亦有效，且其表面溫度比常規(guī)高性能輻射制冷器件和商業(yè)白漆分別低3.5°C和4.6°C。在上述實驗驗證外，該研究理論分析了考慮建筑間熱輻射時制冷功率的理論極限。

該研究攻克了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷，對輻射制冷的實際應(yīng)用和節(jié)能減排具有重要意義；突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控能力，展現(xiàn)了高自由度的熱光子學操控能力，為操控熱流和信息如新型高效冷卻、加熱、能量傳輸以及空間光學系統(tǒng)的高精度熱控等提供了新機遇。

研究工作得到國家自然科學基金等的支持。

全向?qū)拵Оl(fā)射器件和角度非對稱光譜選擇性發(fā)射器件在豎直表面的輻射換熱過程

AS發(fā)射器件的設(shè)計

戶外輻射制冷性能測試

考慮建筑之間熱輻射影響的實驗與理論分析

熱輻射是自然界中最重要的能量傳遞方式之一。而傳統(tǒng)的黑體輻射因非定向、非相干、寬光譜、無偏振等固有特性，致使輻射體與其周圍所有物體均進行熱量交換，制約了傳熱效率和熱流操控能力，限制了其實際應(yīng)用。以輻射制冷為例，過往的輻射制冷器件通常呈現(xiàn)出全向的熱輻射特性，僅適用于開闊的水平表面如屋頂，來最大限度面向溫度較低的天空，并盡可能隔絕器件與地面、周圍物體、大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量交換。當它們被用于豎直表面如墻面、衣物、車輛側(cè)面等實際場景時，器件面向低溫天空的視場角縮小，需要大量吸收地面、周圍物體以及大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量，導致其亞環(huán)境輻射制冷失效。盡管近年來有國際團隊嘗試調(diào)控熱輻射的光譜或角度，但豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷仍然面臨挑戰(zhàn)。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員李煒團隊與合作者，利用熱光子學手段，實現(xiàn)了熱輻射角度和光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控，設(shè)計出具有跨尺度對稱破缺性、角度非對稱光譜選擇性的定向發(fā)射器件——AS發(fā)射器件，實現(xiàn)了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷。相關(guān)研究成果以Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces為題，發(fā)表在《科學》（Science）上。研究發(fā)現(xiàn)，大氣透過率隨天頂角增大而減小，對于豎直表面而言，其法向方向是大氣透過率最低的方向，導致其極限制冷功率僅為~40 W m-2；與水平表面相比，豎直表面吸收太陽的直接照射以及地面反射的太陽光。這些因素進一步對豎直表面的太陽光反射率以及紅外熱輻射的角度和光譜特性提出了更嚴苛的要求。該研究從太陽反射率、大氣透明窗口內(nèi)的光譜選擇性、熱輻射角度非對稱特性協(xié)同設(shè)計，以熱力學、互易性、波導和聲子激化共振等理論為基礎(chǔ)，利用跨尺度對稱破缺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了熱輻射在空間角度上的非對稱分布以及在光譜上的選擇性調(diào)控?？蒲腥藛T設(shè)計了打破鏡面對稱性的鋸齒光柵結(jié)構(gòu)。鋸齒光柵結(jié)構(gòu)的傾斜表面最外側(cè)的Ag層可抑制地面發(fā)射的熱輻射，而其橫向表面上的SiN層可以向天空發(fā)射光譜選擇性熱輻射，從而提供角度非對稱的熱輻射特性。由于熱力學和互易性的限制，鋸齒光柵周期須大于波長才能實現(xiàn)角度非對稱并支持光耦合的準連續(xù)頻率覆蓋。同時，鋸齒光柵表面的Ag層可以阻擋太陽光進入鋸齒光柵內(nèi)部，從而避免多次反射造成的太陽光吸收。為進一步提高發(fā)射器在太陽光譜的反射率，一層孔隙尺寸為0.3-1 μm的多孔聚乙烯薄膜（nanoPE）被覆蓋在鋸齒結(jié)構(gòu)表面。Ag層和nanoPE薄膜的結(jié)合可以在整個太陽光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈反射。同時，nanoPE薄膜的深度亞波長孔隙尺寸使其在紅外波段具有可忽略不計的散射效率，確保了其較高的紅外透射率以及AS發(fā)射器的角度非對稱光譜選擇性輻射特性。為驗證AS發(fā)射器的全天候輻射制冷性能，該研究在晴朗的夏季進行了24小時連續(xù)的室外溫度測量。在一整天中，AS發(fā)射器的表面溫度始終低于環(huán)境溫度。即使在炎熱的正午，AS發(fā)射器仍保持約2.5°C的亞環(huán)境輻射制冷性能，相較于常規(guī)高性能輻射制冷器件和商用白漆分別低4.3℃和8.9℃。同時，該研究揭示了AS發(fā)射器在任意朝向下始終保持亞環(huán)境輻射制冷性能。進一步，為探討AS發(fā)射器在實際場景的制冷性能，該研究考慮建筑物之間的熱輻射影響，并將所有發(fā)射器均面向正午最熱的南向墻壁。得益于AS發(fā)射器的角度與光譜協(xié)同調(diào)控能力，通過改變鋸齒光柵的寬高比，可調(diào)控熱輻射的發(fā)射角度范圍。因此，即使考慮建筑物之間的熱輻射，AS發(fā)射器的亞環(huán)境輻射制冷亦有效，且其表面溫度比常規(guī)高性能輻射制冷器件和商業(yè)白漆分別低3.5°C和4.6°C。在上述實驗驗證外，該研究理論分析了考慮建筑間熱輻射時制冷功率的理論極限。該研究攻克了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷，對輻射制冷的實際應(yīng)用和節(jié)能減排具有重要意義；突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控能力，展現(xiàn)了高自由度的熱光子學操控能力，為操控熱流和信息如新型高效冷卻、加熱、能量傳輸以及空間光學系統(tǒng)的高精度熱控等提供了新機遇。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。全向?qū)拵Оl(fā)射器件和角度非對稱光譜選擇性發(fā)射器件在豎直表面的輻射換熱過程AS發(fā)射器件的設(shè)計戶外輻射制冷性能測試考慮建筑之間熱輻射影響的實驗與理論分析

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