科学家发明了一种新织物 穿上就能自动降温

科学家发明了一种新织物 穿上就能自动降温 说到城市和郊区的温差，就不得不谈一谈“热岛效应”。热岛效应是指一个地区的气温高于周围地区的现象，这种现象在气象图上形成类似孤岛的高温区域，因此得名“热岛”。热岛效应通常出现在城市中，因此也被称为城市热岛效应。热岛效应。图片来源于网络城市中的居民如何有效应对热岛效应，提高生活的舒适度2024 年 6 月 14 日，科学家在《科学》（Science）杂志上发表了一篇关于新型辐射冷却织物的文章，有望提高人们在高温天气下的身体舒适度，降低城市热岛效应对人体的影响。研究成果发表于《科学》杂志 （图片来源：《科学》杂志）这种辐射冷却织物是如何做到降温的研究者制备的中红外光谱选择性分层纺织品（SSHF）由三层组成，分别是聚甲基戊烯（PMP）纳米-微米混合纤维层、银纳米线（AgNWs）层和羊毛织物层。其中，表面的聚甲基戊烯（PMP）纳米-微米混合纤维层具有较宽的尺寸分布和特有的化学键，可以实现大气透射窗（ATW）光谱范围内高的吸收率。大气透射窗（ATM）是指太阳辐射光通过大气层时透射能力很强的波段范围，该部分光可以直达地表，对地表温度的升高有着很大的作用。中间的银纳米线层在整个中红外区域具有高反射率，可以有效防止城市基础设施的红外线传递到人体，降低城市基础设施的热辐射对人体的影响。底部的羊毛织物则可以通过纺织品和皮肤之间的空气间隙吸收人体皮肤的热辐射，并通过银纳米线层进一步将热量传导到顶部的 PMP 织物，从而实现热量从人体表面传递到大气中达到冷却的效果。中红外光谱选择性分层纺织品的结构和可穿戴性能 a.纺织品的结构；b.纺织品在室外环境中的辐射换热示意图；c.不同材料的中红外发射率；d.羊毛织物对人体热辐射吸收的影响；e-i.可穿戴性研究结果（图片来源：参考文献1）实验结果表明，该研究制备的中红外光谱选择性分层纺织品（SSHF）在 1010 W/m? 的峰值太阳强度下，可以将温度显著降低约 6.2℃，这归因于该纺织品能够有效地将热量释放到外界，同时选择性地阻挡来自地面的热辐射。在模拟城市环境的实验中，中红外光谱选择性分层纺织品（SSHF）在白天和夜间分别比传统设计的辐射冷却品低 2.3°C 和 0.2°C 。该冷却纺织品的多孔结构还可以提供良好的透气性，促进了人体汗液的自然扩散，避免了闷热给人体带来的不适。此外，该冷却纺织品表现出较强的疏水性和较强的机械性能，在保证自身清洁的同时还能达到高耐用性，符合可穿戴性衣物的要求。可穿戴的辐射冷却品为应对城市热岛效应提供了一种创新且有效的个人降温方案，不仅有助于减少空调的使用降低能耗，还能预防与热相关的健康问题。期待这种高科技产品的量产，为城市居民带来舒适的体验，为高温作业人员带来一份清凉。参考文献[1]Ronghui Wu et al., Spectrally engineered textile for radiative cooling against urban heat islands[J].Science, 2024.[2]Cui C et al., Hierarchical-porous coating coupled with textile for passive daytime radiative cooling and self-cleaning[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2022.[3]白杨,王晓云,姜海梅,等.城市热岛效应研究进展[J].气象与环境学报, 2013.[4]卢敬华,李国平.城市热岛效应的分析[J].成都气象学院学报, 1991. ... PC版： 手机版：

新型玻璃膜可将温度降低7.2°C 显著减少建筑能源消耗

新型玻璃膜可将温度降低7.2°C 显著减少建筑能源消耗 在炎热的天气里，家中高达 87% 的热量是通过窗户散发的。阳光中的紫外线很容易穿过玻璃，使房间升温，从而增加了您需要打开空调的可能性，或者通过拉上窗帘或拉下百叶窗来放弃任何光线（同样，也放弃了美景）。不过，圣母大学的研究人员已经开发出一种窗户涂层，可以阻挡产生热量的紫外线和红外线，同时允许可见光进入，从而降低室温和制冷能耗。透明涂层在减少产生热量的紫外线和红外线的同时，还能提供完整的视野圣母大学 MÖNSTER 实验室（分子/纳米级传输和能源研究实验室）负责人罗腾飞说："就像偏振太阳镜一样，我们的涂层可以降低入射光的强度，但与太阳镜不同的是，我们的涂层即使在不同角度倾斜时也能保持清晰和有效。"2022年，罗和他的同事利用平面多层（PML）光子结构制造了一种玻璃涂层。这些堆叠的超薄层具有独特的折射率，可以根据光的波长选择性地透射或反射光线。他们将二氧化硅、氧化铝和氧化钛堆叠在玻璃基底上，再在上面覆盖一层薄薄的硅聚合物（PDMS），以反射热辐射（即受热表面向各个方向发射的电磁辐射），从而产生了一种透明涂层，他们说这种涂层的性能优于市场上的其他减热涂层。研究人员决心改进他们之前的工作。由于窗户通常是垂直安装的，一天中直射到窗户上的阳光会随着太阳的移动而变化。现有的窗户涂层往往针对以 90 度角进入的光线进行优化，因此它们阻挡光线的能力取决于所谓的太阳入射角。中午是一天中最热的时候，太阳光以斜角射入窗户，这意味着大多数涂层的阻挡效果较差。研究人员没有采用试错法来解决这个问题，而是使用了量子计算辅助机器学习模型。具体来说，他们使用了主动学习和量子退火，前者是机器学习的一个子集，其中学习算法可以交互式地询问用户以标注数据，后者则利用量子物理学来寻找最优或接近最优的元素组合。量子辅助主动学习方法使研究人员能够优化 PML 结构的配置，并为他们带来了绝对的优势，罗告诉《新图集》。"它可以用来解决非常复杂的优化和设计问题，"他说。"这项工作中的复杂优化问题很难用传统算法来解决。"研究人员利用以前使用过的元件，制造出了一种透明涂层，可以在很大的入射角度范围内选择性地透射和反射光线。然后，他们对其进行了测试。镀膜窗户和普通玻璃窗户被垂直放置在相同的室外试验室中。研究人员测量了每个室的白天温度。他们还将玻璃窗水平放置，面向天空，模拟机动车的天窗进行测试。与普通玻璃相比，镀膜玻璃表现出更优越的性能，在各种入射角度下都能将温度降低 41.7 °F 至 45 °F（5.4 °C 7.2 °C）。"阳光与窗户之间的角度一直在变化，"罗说。"无论太阳在天空中的位置如何，我们的涂层都能保持功能性和效率。"为了估算使用光子结构作为窗户的制冷节能效果，研究人员使用 EnergyPlus 软件模拟了不同城市标准办公室的能耗。结果表明，美国所有城市每年可节约高达 97.5 兆焦耳/平方米。这种节能效果在世界各地的城市都得到了体现，包括热带气候地区的城市。上图：地图显示美国使用窗户涂层后估计每年可节省的制冷能源。下图：全球 16 个选定城市的年制冷能耗估算。研究人员预计，他们的新型窗户涂层将有多种用途，包括商业、住宅建筑和汽车。"我认为它对汽车车窗特别有用，"罗告诉《新地图集》。"它可以用作天窗/月窗玻璃。它甚至可以用于挡风玻璃，你必须保持挡风玻璃的透明，但它会泄露大量的空间加热紫外线和红外（红外线）阳光。"研究人员仍需确定窗口涂层的可扩展性。"这还不得而知，"罗说。"我不能说它是否......更便宜，但随着我们努力扩大规模，它们可能会很便宜。这种涂层可以使用工业规模的涂层工艺制造。涂层中的材料都是非常普通的材料（没有外来材料）。"这项研究发表在《细胞报告物理科学》杂志上。 ... PC版： 手机版：

新型光学超材料可实现真正的单向透光玻璃

新型光学超材料可实现真正的单向透光玻璃 在纳米尺度上控制和操纵光的能力为超材料在各个领域的应用开辟了广阔天地。现在，芬兰阿尔托大学的研究人员创造出了一种新的光学超材料，它可能使真正的单向透光玻璃成为现实。磁电（ME）效应的最一般形式是指材料的磁性和电性之间的耦合。在光学频率下，磁化对传统材料的影响可以忽略不计，但使用超材料则可以增强这种影响，在超材料中，光的电分量可以诱导磁化，而磁分量可以产生偏振。以往的研究表明，微波频率的磁性很强，在这一频谱范围内会产生明显的超材料效应。尽管经过了二十年的理论研究，但直到现在，人们还很难实现在这一范围之外工作的超材料。全电磁频谱示意图这种新型超材料依赖于非互惠磁电效应（NME）。非互易磁电效应意味着材料的磁化和偏振特性与光或其他电磁波的不同成分相关联。"到目前为止，NME效应还没有实现现实的工业应用，"该研究的主要作者沙迪-萨法伊-贾兹（Shadi Safaei Jazi）说。"大多数提出的方法只能用于微波，而不能用于可见光，而且也无法用现有技术制造出来"。研究人员利用现有技术和纳米制造技术成功克服了这些问题，创造出一种三维光学 NME 超材料，其单个元原子由传统材料钴和硅制成，可自发磁化。这种新型超材料为那些原本需要强大外部磁场才能发挥作用的应用铺平了道路，例如真正的单向玻璃。目前所谓的"单向"玻璃实际上只是半透明的，光线可以从两个方向穿过。当两侧亮度不同时，它就像单向玻璃。然而，基于 NME 的单向玻璃不需要这种亮度差异，因为光线只能够从一个方向穿过。"想象一下，在你的房子、办公室或汽车里有一扇装有这种玻璃的窗户，"Safaei 说。"无论外面的光线如何，人们都无法看到里面的任何东西，而你却可以从窗户欣赏到完美的景色。"这种超材料还有可能阻挡现有太阳能电池向太阳辐射的热辐射，从而降低其捕获的能量，从而提高太阳能电池的效率。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：

比玻璃更透光的新型材料能为房间降温并自我清洁

比玻璃更透光的新型材料能为房间降温并自我清洁 该团队的这一成果被称为"基于聚合物的微光子多功能超材料（PMMM）"，它采用了薄膜的形式，可以贴在普通玻璃片上。它的特殊性能来自于其表面的微观结构，表面刻有金字塔图案，每个金字塔的宽度仅为 10 微米。这些迷你金字塔能散射 73% 的光线，因此这种材料看起来像磨砂玻璃。尽管如此，这种材料的透光率竟然比普通玻璃还要高 ，达到 95%，而大多数玻璃的透光率只有 91%。研究小组表示，这不仅能为人们提供更舒适的照明，也能为植物提供更舒适的照明。"当这种材料被用于屋顶和墙壁时，它可以为工作和生活提供明亮但无眩光且隐私受到保护的室内空间，"该研究的主要作者 Gan Huang 说。"在温室中，高透光率可以提高产量，因为光合作用效率估计要比玻璃屋顶的温室高出 9%。"PMMM 最酷的能力是它能够将热量直接传送到外层空间，从而冷却房间。这听起来像是科幻小说中的情节，但这是一种经过充分研究的现象，被称为辐射冷却，它利用了地球大气层对红外线波长是透明的这一事实。测试表明，通过将宇宙作为一个巨大的散热器，这种材料能使房间保持比周围空气低 6 °C（10.8 °F）的温度。最重要的是，这种薄膜具有自洁功能。布满微小金字塔的表面能在水滴下保持一层空气，因此水滴会直接滚落，带走灰尘或污垢。从技术上讲，这使得它具有 152 度的超疏水接触角。黄说："这种材料可以同时优化室内阳光的利用，提供被动冷却，减少对空调的依赖。该解决方案具有可扩展性，可无缝集成到环保型建筑建设和城市发展计划中。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：

如果在城市的楼顶和全球的无人地区大面积铺设反光材料，能否减缓全球变暖和热岛效应？

如果在城市的楼顶和全球的无人地区大面积铺设反光材料，能否减缓全球变暖和热岛效应？ 赵泠的回答 能。在地球上大面积铺设反光材料是地球工程的一种。在当前技术水平与工业生产能力下，这种工程可期待的规模有限、效果量小，但进行小规模工程实践的难度相对低，天气炎热的大城市可以先安排上。多种地球工程手段可以并用来放大效果。 驱动地表气候的能量来自太阳辐射，一部分太阳辐射可以被在平流层散布的粉尘和二氧化硫、在地面铺设的反光镜、建筑物上的反光涂料、低空大气中（行星边界层以内）的微塑料颗粒之类稀松平常的手段反射回太空。 大气中的二氧化碳可以被散布在陆地上的石粉大量吸收，可以被人工施肥催生的海洋浮游生物大量汲取并送进南冰洋底，可以被液态铀核反应堆的热量分解。 如果极端恶劣天气频发，碳中和、碳捕集措施都不足以将其抑制，阻碍地球工程的各种思想都将溃退，人们将不得不多管齐下去处理太阳辐射。 届时，一部分环保人士将因为在过去十几年间反对地球工程而处于十分尴尬的境地。 可以参照： 如何看待全球1.4万名科学家的联名警告：地球的「行星生命体征」正在恶化，「气候临界点」将很快被冲破？ 一些与反光相关的地球工程技术： 辐射冷却全世界对空调和冰箱的需求不断增长，估计到 2050 年世界上制冷设备的规模将是 2020 年的 3 倍，泄漏的制冷剂和用来给制冷设备供能的化石燃料将成为重大的温室气体来源并破坏臭氧层，需要新的制冷方案。 加利福尼亚大学洛杉矶分校的材料科学家测试了大规模的热辐射降温。 过去数百年里，北非、中东、印度的荒漠地区有许多人已经小规模使用过这技术的原型：日落时，你将水倒入用芦苇隔热的陶瓷托盘。晴朗的夜里，水将热量朝太空放射。早晨，你就得到了非常凉的水，甚至是冰。 现在，科学家使用含铜和银的纳米技术薄膜将热辐射最大化，该薄膜对光的反射率超过 99%，其红外辐射的波长适合直接穿透地球大气。即使在正午的阳光下，这东西也可将包裹的物体的温度降低到比气温冷 10 摄氏度。这可以在没有电力和燃料供应的情况下冷却火箭、管道、各种面板和建筑物。其条件就是对准晴朗的天空。这种纳米材料也可加入涂料，粉刷到建筑物上。 辐射冷却可以产生温度梯度并拿来发电就像挪威在森林里测试过的“星光发电机”和斯坦福大学的研究团队测试过的热传导发电机与辐射冷却模块那样。斯坦福大学的装置安装在民宅房顶后在夜间每平方米可以产生 2.2 瓦电功率，能量从周围的空气里取得，废热辐射向太空。冰川隔热毯二十世纪八十年代起，全球范围内的冰川消融速度明显加快，只有少数冰川还在前进。冰川融化造成的泥石流和河流水量变动可能对附近的村庄、水电站和下游地区造成威胁。中国、尼泊尔、不丹、巴塔哥尼亚高原、安第斯山脉都可能发生冰川湖决口洪水。 瑞士科学家早已在罗纳河冰川、格胜河冰川上利用白色羊毛毯遮挡和反射太阳辐射，实验证明可以缓解 60% 到 70% 的季节性冰川消融。 2020 年 8 月，中国科学院研究团队给位于青藏高原东缘的达古冰川盖上了一层面积约 500 平方米的白色反光隔热毯，试验用人工手段减缓冰川消融。10 月 17 日，现场考察显示，白色反光隔热毯覆盖区域与周围相比，冰川消融厚度减少约 1 米，初步估计能减少 70% 左右的消融量。 我国试验的反光隔热毯的材料是涤纶、腈纶、锦纶等高分子聚合物的合成纤维，技术成熟，投入不高，可反复回收再利用，在人力所能触及的冰川上完全可以大规模使用。人工降雪对于人力难以攀登或载具不便抵达之处，可进行人工降雪来提高反射率。 光学人工降雪比“用飞机或火箭散布干冰或碘化银”等传统方案更环保。 高重复频率飞秒强激光可以持续加热和电离冷湿空气，形成高速向上运动的暖湿气流，与上方的冷湿空气碰撞产生强对流和旋风，促进冰晶形成和尺寸增加；非线性成丝过程中产生的高密度高温带电粒子还可以诱导凝结核。 飞秒强激光在大气中能实现数千米到数十千米距离内的自导引传输。刷白屋顶加州大学洛杉矶分校的科研团队开发出一种对阳光反射率 98% 的白色涂料，有望涂在建筑物顶部反射阳光来帮助夏天室内降温。 此前市面上基于氧化钛的白色涂料对阳光的最大反射率约 85%。 新涂料的原料包括硫酸钡和粉末状聚四氟乙烯。 论文：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30179-3对于当前气温尚未热到需要普遍降温的地区，你可以先考虑在屋顶上铺太阳能板来减少人们对化石燃料发电的需求。 via 知乎热榜 (author: 赵泠)

普林斯顿科学家开发出夏季为建筑物降温、冬季为建筑物供暖的被动机制

普林斯顿科学家开发出夏季为建筑物降温、冬季为建筑物供暖的被动机制 普林斯顿大学和加州大学洛杉矶分校的研究人员发明了一种新的被动气候控制技术，该技术使用工程涂层来管理特定波长的热传递，有可能大幅节省能源并提高建筑物的舒适度，尤其是在较不富裕的地区。热图像显示了建筑物散发的热量。图片来源：Mandal 等人/普林斯顿大学在最近发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一篇文章中，他们报告说，通过将建筑物与其环境之间的辐射热流限制在特定波长，由普通材料制成的涂层可以实现节能和热舒适度，这超出了传统建筑围护结构所能实现的水平。“随着全球气温的升高，维护适宜居住的建筑物已成为一项全球性挑战，”普林斯顿大学土木与环境工程助理教授、研究员 Jyotirmoy Mandal 说。 “建筑物以辐射的形式与周围环境交换大部分热量，通过调整其外壳的光学特性以利用辐射在环境中的行为方式，我们可以以新颖且有效的方式控制建筑物中的热量。”辐射热由电磁波携带，无处不在当阳光温暖我们的皮肤，或者当电线圈加热房间时，我们都能感受到它。通过控制辐射热来调节建筑物温度是一种常见的做法。大多数建筑物使用窗帘遮挡阳光，许多建筑物将屋顶和墙壁漆成白色以反射阳光。“如果我们看看希腊圣托里尼岛或印度焦特布尔等历史名城，我们会发现通过使屋顶和墙壁反射阳光来冷却建筑物的做法已经持续了几个世纪，”加州大学洛杉矶分校材料科学与工程副教授、研究员 Aaswath Raman 表示。“近年来，人们对反射阳光的凉爽屋顶涂层产生了浓厚的兴趣。但冷却墙壁和窗户是一个更加微妙和复杂的挑战。”建筑物墙壁和屋顶的热图像。图片来源：Mandal 等人/普林斯顿大学屋顶通常可以看到天空。这使得凉爽的屋顶涂层可以反射阳光，并将长波热量辐射到天空，最终辐射到太空。另一方面，墙壁和窗户大多可以看到地面和邻近的建筑物。在炎热的天气里，它们被炎热的街道、人行道和附近建筑物散发的热量加热。这意味着，即使墙壁和窗户向天空散发热量，它们也会被地球加热得更多。在寒冷的天气里，陆地环境变得更冷，从墙壁和窗户中吸收热量。研究人员意识到解决这个问题的方法在于热量在建筑物和地面区域之间移动的方式与在建筑物和天空之间移动的方式不同。辐射热在红外光谱的狭窄部分（称为大气传输窗口）中从建筑物移动到天空，因此研究人员称之为窄带。在地面，辐射热在整个红外光谱中移动，研究人员称之为宽带。“通过在墙壁和窗户上涂上只在大气窗口辐射或吸收热量的材料，我们可以减少夏季地面的宽带热量增加和冬季的损失，同时保持天空的冷却效果。我们认为这个想法是史无前例的，超出了传统屋顶和墙壁围护结构所能实现的范围。” Mandal 指出。该研究结果的影响意义重大，原因有两个。首先，研究人员在文章中表明，许多常见的低成本建筑材料在窄带中辐射热量并阻挡宽带热量。已经用作壁板材料的聚氟乙烯等材料可以适应这一目的，甚至更常见的塑料也可以适应这一目的。“当我们发现像聚丙烯这样的材料（我们从家用塑料中获取）在大气窗口中选择性地辐射或吸收热量时，我们很兴奋，” Raman 指出。“这些材料近乎平凡，但同样的可扩展性使它们变得常见，这也意味着我们可以在不久的将来看到它们用于温度调节建筑物。”乐观的第二个原因是，其对建筑规模的潜在能源影响是巨大的。研究人员指出，采用他们的机制，季节性节能效果可与将深色屋顶涂成白色的效果相媲美。随着全球空调成本和与高温相关的伤亡人数继续飙升，这可能很有用。曼达尔和拉曼计划进一步继续这项研究。“我们提出的机制是完全被动的，这使得它成为一种可持续的方式，可以随着季节变化对建筑物进行冷却和加热，并产生尚未开发的能源节约。”曼达尔指出。“事实上，我们展示的机制和材料对全球南方建筑的好处最大。因此，这可能是资源匮乏社区更公平的解决方案，甚至更甚于他们看到冷却需求和与高温相关的死亡率不断增加。”编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：