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世界“最白”油漆,可反射98.1%太阳辐射,最高可降温11℃

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DeepTech深科技 2021-10-13 19:00

随着全球变暖的加剧,人们开始关注碳减排、碳中和。

通常,人们利用空调制冷,但其实这种降温方式是把室内的热量“转移”到室外,在这个热量“搬运”的过程中,不仅排放了大量二氧化碳,还消耗了许多电能。

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图丨ACS Applied Materials & Interfaces 当期封面(来源:ACS Applied Materials & Interfaces)

在寻找遏制全球气候变暖的方法上,科学家从未停止他们的步伐。美国普渡大学机械工程系阮修林教授团队研发了一种可以辐射制冷的硫酸钡超白漆,这种油漆不仅能反射 98.1% 的太阳辐射,还成为吉尼斯世界纪录中“最白”的油漆[1],并且申请了多项国际专利。

图丨相关论文(来源:ACS Applied Materials & Interfaces)

4 月 15 日,相关论文以《用于全天低温辐射致冷的超白硫酸钡涂料和薄膜》(Ultrawhite BaSO4 Paints and Films for Remarkable Daytime Subambient Radiative Cooling)为题发表在 ACS Applied Materials & Interfaces,并登上了该期刊的当期封面。

此前,阮修林在接受媒体采访时曾表示:“如果用超白漆覆盖大约 1000 平方英尺的屋顶,估计可以得到 10 千瓦的冷却功率,这比大多数房子使用的中央空调更强大。”

无源辐射制冷,反射率达 98.1%,最高可降温 11℃

超白漆通过辐射制冷的机理,一方面减少太阳光的吸收,另一方面增加红外的辐射。根据天气、风速、建筑情况的不同,研究人员测试出 4.5℃-11℃ 的降温。

“我们通过辐射制冷,使建筑表面涂上超白漆后可以比室温更低,相当于免费的空调。这对城市的热岛效应、全球气候变暖具有重要重要的意义。” 该论文第一作者李翔宇说。

图丨阮修林教授展示超白漆样本(来源:李翔宇)

这种超白漆不需要任何电能,就可以将红外光谱通过大气直接 “传输” 到宇宙。也就是说,它不和大气、地球有任何“能量交换”,就把热能直接散射到外太空,减少了“碳排放”和对电能的需求。

目前,市场上的油漆主要成分是二氧化钛,其反射率在 90% 左右,而阮修林团队将太阳光反射率提升至目前最高的 98.1%,并且可以全天辐射制冷。

从实际吸收率来看,普通油漆吸收 10% 的太阳光,而超白漆只吸收 2% 的太阳光,相当于只吸收原来 1/5 的热量。

研究人员对吸收光谱进行了深入的研究发现,二氧化钛对整个紫外光都是吸收的,因此会吸收热量。也就是说,普通油漆的效果从某种程度上来说是“制热”。

图丨超白漆的辐射能量转移、发射率表征结果和太阳反射率的模拟(来源:ACS Applied Materials & Interfaces)

李翔宇表示,“从材料选择上,团队会选择电子能带隙较高的材料。这样的材料本身不会吸收紫外光,减少对太阳光的吸收。”

随后,研究人员发现,碳酸钙、硫酸钡等材料虽然不吸收紫外光,但是其折射率较低。“相比较于氧化钛,如果加入硫酸钡或碳酸钙,由于它们折射率较低,在油漆里加入同样的颗粒,会一种半透明的效果。”

李翔宇进一步解释道:“我们做的创新就是加入很多硫酸钡颗粒,并将油漆颗粒浓度提高 60%,让它尽量不透光,以达到尽可能高的反射率。”

图丨李翔宇(来源:李翔宇)

但是新的问题随之而来,该团队发现,颗粒加得越多,油漆的可靠性会越差、厚度也会随之增加。在以往的研究中,通过仿真或者做实验选择最优解,通常只用一种尺寸的颗粒反射太阳光。

但实际上,太阳光是很宽的光谱,从 250 纳米到 3 微米左右都存在,当颗粒较小的时候,一定尺寸的颗粒对特定光谱更加有效。

李翔宇认为,“如果采用不同的尺寸的颗粒,虽然其每部分并不能取得最好的反射率。但是,从整体的太阳光谱来看,用这种方法可以让涂料散射光谱中更多波段的光,从而有效地反射更多太阳光。”

图丨红外相机下显示的超白漆样品(中间的深紫色方块)(来源:普渡大学)

从应用的角度,油漆涂料对于厚度有较苛刻的要求,该团队通过使用不同的尺寸的颗粒,解决了更好地反射太阳光方面的问题。

从外观来看,超白漆和普通油漆非常相近,其与普通涂料的不同之处在于,超白漆对太阳光的反射率更高。从性能上看,超白漆在太阳光下可以保持比室温更低的温度,而普通涂料会变热。

该团队曾做过一个比较有趣的实验,在普通的白色油漆上,用另一款碳酸钙油漆涂上 “P” 的图案。肉眼看不易分辨,但在太阳光下,用远红外红外照相机可以看出来它们温度的不同。

此外,该团队还对超白漆做了稳定性测试。一方面是防磨损的测试,与现在市场上的白色油漆进行对比。初期测试数据显示,超白漆在防磨损方面与普通油漆相近。

研究人员还将超白漆放在室外大概 3 周,即便经历了下雨、下雪、太阳直晒等,整体来看,未发现超白漆在性能方面有所降低。

另一方面是关于超白漆的粘度测试。由于油漆最简单使用途径是通过喷漆或刷漆,该团队用普通油漆刷,将超白漆涂在材料上,然后研究人员用水冲超白漆,并未发现油漆被冲掉的现象。

那么,超白漆是否有光污染的问题呢?“超白漆虽然很白、反射得很多,但是它和普通的白油漆相同,属于漫反射。它外观看来和普通白油漆很相近,所以,不会出现光污染的问题。” 李翔宇说。

成本与普通油漆相近,有望应用于汽车、电子仪器、食物存储等领域

超白漆的主要成分是硫酸钡,这种材料现在已经在化妆品、CT、备餐等多领域使用,因此材料性能较稳定,对环境和人体危害很小。成本方面,目前每年有大量硫酸钡被开采,其价格也较低,因此适合被广泛应用。

李翔宇表示,在一定程度上,超白漆和普通油漆在材料成本、加工和运输等方面都相近。“我们尽量按照普通的油漆的生产使用情况来开发、设计超白油漆。所以,如果它能大规模生产和使用,成本应该和普通白色油漆相近。”

图丨电子显微镜下的超白漆(来源:ACS Applied Materials & Interfaces)

超白漆的应用最直接的效果是二氧化碳排放量、空调的使用量将减少,这样,夏天电费将大幅度减少。

另外,可将超白漆应用在汽车领域,以尽量减少汽车在太阳下的吸热,或尽量能让汽车达到较好的制冷的效果。“空调的使用,尤其对电动车的续航、里程等都有很大的影响。” 李翔宇说。

随着通讯的高速发展,尤其是现在 5G 基站在室外使用很多电子仪器,并且不能用空调降温,也不能有铝或是金属的薄膜,以确保无线电信号不被阻碍。

李翔宇说:“如果在室外仪器表面涂上这种超白漆,可减少仪器过热的现象或对它进行降温,缓解仪器使用性能损耗和寿命的问题。”

图丨超白漆的可靠性测试(来源:ACS Applied Materials & Interfaces)

“一些互联网公司有专用的建筑来存储数据,如果使用这种油漆,也能尽量减少它们的产热和增强散热。” 李翔宇说。

据介绍,超白漆还有可能在存储食物、运输冷冻产品等方面发挥 “空调” 作用,减少制冷需求。此外,一些艺术家也对超白漆很感兴趣,他们希望用“最白”的油漆进行不一样的艺术创作。

李翔宇表示,现阶段超白漆的生产还是以满足实验室科研使用为主,我们希望能尽量满足一些公司和机构样品测试的需求。现在已经有世界各地的油漆零售商对超白漆表示出兴趣,并希望将来可以代理它。目前,团队已经和一家公司有密切合作。

从 “摸着石头过河” 到大胆创新尝试,希望 3 至 5 年实现产业化

李翔宇本科毕业于清华大学电子系,之后来到普渡大学机械工程系阮修林教授课题组,博士阶段最后参与的项目是辐射制冷超白漆。

其研究重点是纳米复合材料中的纳米级传热、热界面和辐射冷却。2019 年 6 月至今,他在麻省理工科技学院(MIT)机械系读博士后,师从伊夫林・王(Evelyn Wang)教授。

李翔宇认为,读博与本科阶段有很大的不同。大学时期,课本的内容整体来说有定论,一切相对来说有迹可循。但科研就像晚上开车没有路灯的感觉,有时候需要在不同方向都大胆尝试,有点像“摸着石头过河”。

“科研的经历之后,一方面我觉得学习能力要不断提升,未来希望我也可以利用学习和科研的经历,增强自己的学习精力去处理其他方面的困难和挑战。” 李翔宇说。

另一方面,他认为,科研最重要是永不放弃的心态,然后把每一个项目都当成自己的项目,敢于尝试不同的思路。“在超白漆材料选择过程中,我们从 100 多种白色材料中,最终挑选了 10 种材料,每种材料尝试了 50 多种配方。”

李翔宇表示,毕业后计划继续科研方向的工作,将寻找合适的高校教职工作。

图丨部分专利截图(来源:李翔宇)

从 2016 年就开始研究的超白漆,其反射率是否还能提升呢?李翔宇认为,超白漆的反射率确实可通过添加各种颗粒、做得厚一些提升。但从实际应用的角度出发,如果要在室外大量使用,加更多的颗粒会导致油漆变得更容易开裂,可靠性反而会变差。

所以,从理论的角度虽然可以达到更高的反射率,但从实际应用看,如何提高超白漆的可靠性以及更好地保持高效的制冷效果更加重要。

下一步,该团队将在超白漆的可靠性、生产流程方面继续优化,以解决油漆容易产生灰尘堆积或长期磨损等问题。“我们希望在 3 至 5 年可以将超白漆推广到市场。”

参考:

1.Xiangyu Li et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 18, 21733–21739(2021). https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02368

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