「薄膜降溫」是騙局嗎？

來源 \ 科學公園

前不久，筆者在上網瀏覽時，無意中發現一位網友這樣一條微博。

顯然，這位網友對《經濟學人》介紹的薄膜降溫很不以為然，認為這是違背熱力學第二定律的胡扯。那麼真相究竟如何呢？

《經濟學人》介紹的這種新型降溫手段[1]來自於美國科羅拉多大學華人學者尹曉波和楊榮貴的研究團隊去年發表在《科學》雜誌上的一篇論文[2]。在這篇論文中，研究人員介紹了他們開發的一種新材料，無需外界能量就可以在白天日照存在的情況下實現降溫。那麼這種新材料是如何發揮作用的呢？

我們知道，太陽無時無刻不在向外散發電磁輻射。這些輻射被物體吸收后，就可以轉化為熱能，使得物體溫度升高。事實上，不僅太陽，任何溫度高於絕對零度的物體都會以電磁波輻射的形式向周圍環境散發熱量，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，自然取決於兩種力量的對比。物理學家告訴我們，一個黑體單位面積能夠釋放出的能量與黑體溫度（以熱力學溫標即絕對溫度計算，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遠超出地表物體。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。這個時候，我們往往就需要電扇、空調等方式幫助降溫，而這些手段通常需要外界提供能源。

如果我們設法讓一個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，而它向外界散發熱量的過程仍然不受影響。這樣一來，這個物體是不是即便在炎熱的夏季也能保持自身涼爽呢？理論上講確實如此，這就是通常所說的輻射降溫。但實際上，因為太陽熱輻射的能力實在太強，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比穿黑色的衣服更涼快，就是因為白色衣服能夠更好地散射陽光。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，要想完全不藉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到94%左右[3]，這在常規材料中是很難實現的，要想達到這個目標，只能藉助於具有微觀結構的新材料。

除了高反射率，要想實現良好的輻射降溫效果，我們還必須讓物體散發出的熱輻射儘可能不被地球大氣層吸收，否則地表物體散發出的熱量一部分被大氣吸收后又折返會地面，這也會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，這個波段的紅外線很難被大氣層吸收，可以直達外太空。這一要求在常規材料中也很難實現，同樣需要藉助於微觀結構。

正是循著這個思路，在2014年，美國斯坦福大學華人學者范善輝教授帶領的研究團隊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反射能力的金屬銀，然後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將高達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。實驗表明，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5^oC. 這項研究隨後發表在頂級學術刊物《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構來保證白天輻射降溫的效果

（圖片引自參考文獻[3]）

然而這種新材料的一大缺陷是其生產過程需要使用複雜昂貴的加工設備，不適合大規模的推廣。因此，尹曉波和楊榮貴兩位學者帶領的研究團隊在此基礎上進行了改進。他們的方法是在塑料薄膜內摻入二氧化硅的微粒，同時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，因此可以實現類似的輻射降溫效果，但與前面的例子相比，其生產工藝要簡便得多，成本也大大降低[2]。

尹曉波和楊榮貴兩位華人學者開發出的能夠實現白天輻射降溫的塑料薄膜

（圖片引自參考文獻[2]）

所以，所謂薄膜降溫，實際上是通過特殊的設計盡量避免薄膜升溫，從而讓輻射降溫的效果最大化。顯然，這種降溫手段不是什麼胡扯，更不違反熱力學第二定律。熱力學第二定律描述的是熱力學過程的不可逆性，即熱量總是自發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自發的過程。因此，薄膜降溫被稱為被動降溫。

不過，薄膜降溫不是騙局，並不意味著這項技術可以立即投入實際應用。同時，關於這項研究進展的報道也難免存在誇大之處。例如《經濟學人》的報道中提到「研究小組估計，在美國一棟普通房子的屋頂鋪設20平方米這種薄膜，就足以在室外溫度達37°C時把室內溫度保持在20°C」，但原始論文中並沒有給出這樣的估算，只是測算了塑料薄膜的降溫效率。實際上《科學》雜誌發表這一研究時配發的業內人士評論就指出，這種塑料薄膜輻射降溫的功率並不算太高[4]。因此，用這種薄膜來完全代替空調等效率更高的降溫手段恐怕是不現實的。但即便如此，這種新材料的積極作用仍然應該給與肯定。據估算，僅僅在美國，每年空調製冷消耗的能源佔到發電量的6%左右，由此導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一小部分由空調擔負的製冷需求，在節約能源和保護環境上的正面作用仍然會是相當可觀的。

這種新型塑料薄膜如果要投入實際應用，還必須解決的一個問題是產品的耐久性。如果將這種塑料薄膜直接鋪在建築物的屋頂或者牆體，時間長了，塑料表面不僅會吸附灰塵污垢，而且風雨的侵蝕還可能導致塑料破裂，這些都會導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起來，但這會不會顯著增加生產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。

最後，筆者需要指出的是，像《科學》、《自然》這樣的刊物，雖然貴為世界頂級學術刊物，所登載的學術論文大多仍然以基礎研究為主。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，指明進一步的研究方向，但本身通常並不提供成熟的產品。因此，我們應該學會理性看待基礎研究領域的進展，既不應該將新的突破一味視為「胡扯」、「騙局」，也應該避免作過度的解讀。

參考資料：

[1] 《新型環保薄膜，讓炎夏和空調說拜拜》http://chuansong.me/n/1871827733622，此文為翻譯《經濟學人》的英文報道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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