第四屆“創(chuàng)意光電”科普大賽參賽作品展示（21）：無源降溫光學(xué)超材料織物——零耗能又降溫的“黑科技”

無源降溫光學(xué)超材料織物——零耗能又降溫的“黑科技”織物

參賽者：吳嘉威、曾少寧、周賢駿

指導(dǎo)老師：陶光明

人們在夏季的戶外環(huán)境感到炎熱難忍，最顯然的原因之一是太陽輻射在源源不斷地向物體傳輸光熱，然而實(shí)際的熱交換機(jī)制則是一個(gè)更復(fù)雜的過程。物體與環(huán)境的熱量交換方式包括熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射。其中，包含人體在內(nèi)的常溫物體的熱輻射譜，主要處于 7～14 μm的中紅外波段，這一范圍與大氣透明窗口中的8～13 μm 波段基本重疊。因此，面向天空的物體所發(fā)出的熱輻射，可以通過大氣透明窗口向低溫的外太空進(jìn)行散熱，把宇宙空間作為一個(gè)“天然冷庫”以實(shí)現(xiàn)降溫。

在戶外暴曬環(huán)境中，盡管熱輻射散熱始終存在，但人體的熱輻射功率密度僅為 100 W/m2 左右，而太陽光卻具有近 1000 W/m2的輻照度。這樣人體散熱的輸出量不足以抵消太陽輻射的輸入量，就會導(dǎo)致皮膚溫度上升。在戶外暴曬環(huán)境中，盡管熱輻射散熱始終存在，但人體的熱輻射功率密度僅為 100 W/m2 左右，而太陽光卻具有近 1000 W/m2的輻照度。這樣人體散熱的輸出量不足以抵消太陽輻射的輸入量，就會導(dǎo)致皮膚溫度上升。如何能夠避免如此巨大的外部加熱？經(jīng)歷了漫長進(jìn)化的地球生物往往能給予我們非常寶貴的啟示。在自然界中，撒哈拉銀蟻具有密集排列的獨(dú)特三角形毛發(fā)，使它們可以反射太陽輻射中大部分的可見—近紅外光，同時(shí)增強(qiáng)中紅外輻射波段的發(fā)射率，從而避免體表過熱，使銀蟻得以在炎熱的非洲沙漠中棲息生存。

受撒哈拉銀蟻毛發(fā)啟發(fā)，為應(yīng)對全球變暖和極端高溫挑戰(zhàn)，緩解能源消耗和熱舒適性的矛盾，陶光明教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)無源降溫光學(xué)超材料織物。在直曬環(huán)境中，可為人體降溫近5 °C，可為汽車內(nèi)部降溫近30 °C。成果發(fā)表于Science。