李煒，微納光子學與材料國際實驗室(吉林省國際科技合作重點實驗室)主任，發光學及應用國家重點實驗室學術帶頭人，研究員、博士生導師。長期從事熱光子學、微納光學、光與物質相互作用及其在下一代能源和資訊科技中的應用研究，在Nature，Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Communications等期刊發表論文；主持國家自然科學基金重點專案等；入選國家、中國科學院、吉林省等高層次人才計劃；獲麻省理工科技評論亞太區科技創新35人、全球高被引科學家，斯坦福大學全球頂尖科學家；擔任npj Nanophotonics副主編、SPIE Spotlight副主編，Science等五十餘期刊審稿人，Optica和IEEE 長春光機所學生分會指導教師。
今年5月15日，李煒研究員團隊與新加坡國立大學仇成偉教授團隊合作，在國際上首次利用單個器件透過單次測量，對寬頻光譜範圍內具有任意變化的偏振和強度的高維光場進行了全面表徵，實現高維度光場資訊探測。該成果以“Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector”為題發表在Nature上。這是長春光機所首次以第一完成單位在Nature發表論文。今日，李煒研究員團隊的最新成果登上《Science》，據小編所知，這也是長春光機所建所以來的首篇《Science》。
下面，讓小編帶大家一起拜讀一下李煒研究員團隊最新研究成果。
垂直表面的低於室溫的白天輻射冷卻
隨著全球變暖和氣溫上升，對製冷的需求不斷增加。然而，大多數傳統制冷需要能耗，進一步加劇溫室氣體排放和全球變暖。無需能量輸入的被動冷卻技術在這一背景下顯得尤為重要。輻射冷卻利用大氣視窗將熱量以紅外形式散發到外太空，提供了一種有效的被動冷卻方式。特別是透過設計奈米光子結構，實現了在白天低於環境溫度的輻射冷卻。這種技術已被用於建築、車輛、紡織品和水冷系統等領域。通常，白天輻射冷卻器需面向天空，但在許多應用中，例如建築物和車輛，表面常為垂直，這使得有效冷卻更具挑戰性。垂直表面受到來自地面的輻射影響，並減少了對天空的熱輻射，這要求更強的太陽反射率和特定角度的熱發射效能。理論和實驗分析表明，要實現垂直表面的白天冷卻，必須將太陽吸收限制在40 W/m²以下，並採用角度不對稱的熱發射，以減少地面輻射吸收。
在這裡，李煒研究員團隊聯合斯坦福大學範汕洄教授、紐約城市大學Andrea Alu教授使用分層設計、角度不對稱、光譜選擇性熱發射器演示了峰值陽光下垂直表面的低於環境的白天輻射冷卻。在每平方米約 920 瓦的峰值陽光下，作者的發射器達到的溫度比環境溫度低約 2.5°C，與二氧化矽聚合物混合輻射冷卻器和商用白色油漆相比，溫度分別降低了約 4.3° 和 8.9°C。相關成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”為題發表在《Science》上，第一作者為謝非，Weiliang Jin，J. Ryan Nolen和潘昊為共同一作。
AS熱發射器的分析與設計
本文展示了理想的AS（角度選擇性）熱發射器的冷卻潛力，並與全向寬頻熱發射器進行了比較。假設兩者在太陽光譜中都無吸收，AS熱發射器在中紅外範圍（8至13μm）內對上半球有統一的發射率，而對下半球發射率為零（圖1B）。在典型白天條件下，垂直定向的AS熱發射器在適當的隔熱條件下（hc = 3.5 W m²/K），理論上可實現7.9°C的冷卻效果和14.9°C的降溫增益（圖1C）。相比之下，全向寬頻熱發射器因吸收地面輻射，即使完全抑制太陽吸收，在垂直表面上也無法達到低於環境的溫度。
圖 1. 垂直表面低於室溫的白天輻射冷卻的設計考慮因素
作者的熱發射器設計基於鋸齒光柵結構，覆蓋NanoPE薄膜（圖2A）。鋸齒光柵包含水平和傾斜面，分別覆蓋有銀（Ag）和氮化矽（SiN）層。Ag層提供了強太陽光反射，NanoPE薄膜透過其氣孔結構進一步增強紫外和可見光的反射（圖2B, 2C）。SiN層則在8至13μm範圍內實現光譜選擇性熱發射。設計中，傾斜面上的Ag層可抑制向地面發射，而SiN層的發射則主要面向天空，實現角度不對稱的發射。為了實現這一效果，光柵週期需大於波長，並透過調整縱橫比靈活控制發射角度。此設計透過同時實現角度和光譜選擇性，克服了先前研究中的限制，使得在垂直表面上實現日間低於環境溫度的輻射冷卻成為可能（圖2D, 2E）。
圖 2. AS 發射器的設計
製造和表徵
作者透過模板成型技術製造了最佳化的鋸齒光柵，並採用標準薄膜塗層工藝。鋸齒光柵結合nanoPE薄膜實現了高太陽光反射率，整體結構在太陽光譜上的平均反射率達到0.978（圖3A, 3B）。在中紅外波長範圍內，nanoPE薄膜提供高透射率和直接透射率（圖3C）。透過角度分辨熱發射光譜測量（ATESM）系統（圖3E），作者對鋸齒光柵的紅外特性進行了測試，結果顯示在上半球空間內具有顯著的角度不對稱發射，且符合理論預期（圖2D, 3D）。鋸齒光柵與nanoPE薄膜的結合成功實現了AS熱發射器，紅外攝像機清晰顯示其相對側的輻射或表觀溫度對比（圖3F）。
圖 3. AS 發射器的實驗特性
定向和低於環境的白天輻射冷卻演示
為了驗證輻射冷卻方法，作者測試了兩種情況。首先，在真空環境中，利用真空室冷卻裝置（圖4A）將背景溫度維持在-13°C，以突出定向輻射冷卻效果。實驗中，當加熱器溫度分別為48.9°C、73.3°C和96.9°C時， AS熱發射器在冷背景下保持冷卻效果，與全向寬頻發射器相比，分別低了14.1°C、19.8°C和25.6°C（圖4B）。其次，在真實室外環境下（中國北京的晴天夏日），作者將AS熱發射器與二氧化矽-聚合物輻射冷卻器和商用白色塗料進行了比較，將它們垂直朝向南方陽光最強的方向安裝（圖4C, D）。結果顯示，AS熱發射器在上午11:30到下午12:30的高陽光條件下低於環境溫度2.5°C±0.7°C，而二氧化矽-聚合物冷卻器和白色塗料則未能達到低於環境的溫度（圖4E, F）。即使在太陽輻射較小的北向條件下，AS熱發射器也能實現低於環境的冷卻，而其他兩種材料仍未達到該效果，證明了AS熱發射器在不同方向和環境下的廣泛適用性。
圖4. 角度不對稱定向輻射冷卻演示
為深入研究AS熱發射器在高溫實際場景中的冷卻效能，作者在室外實驗中將發射器面向正南的牆壁（圖5A）。透過設計傾斜角β為11°的AS發射器，有效抑制了來自地面和牆壁的輻射。在午間11:00至13:00期間，地面溫度達44°C至53°C，牆壁溫度達38°C至45°C，太陽輻照度在700至900 W m−2時，AS發射器保持低於環境溫度的狀態（圖5B），而二氧化矽-聚合物冷卻器和白色塗料則未能達到冷卻效果。AS發射器在這些條件下的溫度比二氧化矽-聚合物冷卻器和白色塗料分別低3.5°C和4.6°C。理論分析表明，理想的梯度AS發射器在建築物牆體上可實現最佳冷卻效果（圖5C），保持淨冷卻功率，即使面對地面和鄰近建築物的熱輻射，也優於全向寬頻發射器，平均冷卻功率高出約114 W m−2（圖5D）
圖 5. 建築牆體應用的實驗和理論分析
小結
本文開發了一種分層設計的AS熱發射器，實現了垂直表面在白天低於環境溫度的輻射冷卻效果。與傳統平面發射器不同，AS熱發射器避免了對稱角度響應導致的地面熱吸收，適用於建築物、車輛和紡織品等三維環境，從而大大拓展了被動冷卻的應用範圍。隨著輻射冷卻技術和光子設計、材料、製造技術的發展，這一設計將便於廣泛應用，推動新的冷卻方向探索。AS熱發射器有望革新現有的熱管理和能量傳輸方法，減少熱量和能源消耗，並開啟高效冷卻、加熱和能量收集的新機遇。
來源：高分子科學前沿
宣告：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
