動態雙面神行為：在地球-太陽/太空系統的被動式冷-熱調控

熱管理博覽會

2024年5月9日 13:56

來源 | Small

作者 | 李政通博士

《淮南子·本經訓》記載：堯之時，十日并出，焦禾稼，殺草木，而民無所食。堯命羿仰射十日，中其九日。日中九烏盡死，墮其羽翼，故留其一日也。這則神話故事雖充滿神秘色彩，寓意深邃引人深思，但其核心在于傳達了一個基本事實：自人類誕生之日起，便始終與自然界氣候變化所帶來的困擾相抗爭，以謀求生存和發展。這一斗爭是持續不斷的，也是必要的，它體現了人類對于自然環境的適應與改造的智慧和勇氣。

背景介紹

夏熱冬寒氣更迭，自古以來，人類一直夢想擺脫酷熱與嚴寒所帶來的不適之感。然而，實際情況卻是與加熱和冷卻相關的能源消耗已占全球總能源消耗的超過28％。以中國南方地區為例，人們為了應對氣候變化帶來的身體不適，在夏季和冬季對空調系統的依賴尤為嚴重。這不僅導致能源消耗增加，而且加劇了環境問題的日益突出。

考慮到這一挑戰，學者們一直在不斷探索：是否可以通過在不同季節（時間）或地區（空間）轉移能量來減少建筑物在供暖和制冷方面對電力的需求？盡管在當前技術條件下，這一設想似乎有些遙遠，但通過調整建筑材料的成分，從而改變它們的太陽光吸收和紅外輻射光譜，以實現其溫度的調節，卻是一個切實可行的策略。太陽作為地球上最重要的能量來源，表面溫度接近5700K，其熱輻射能量可以通過光熱技術轉化為熱能。另一方面，考慮低至3K的外太空背景溫度，人們也可以通過輻射制冷技術獲得外太空的冷量，而無需額外的能量輸入，從而實現被動冷卻。

被動式太陽能加熱和輻射制冷技術已經在水相變調控（蒸發和冷凝）、智能服裝（加熱和制冷）、智能窗戶（室內取暖和制冷）、冰去除和冰川保護等領域得到廣泛研究。然而，過去的研究往往將這兩種技術的探索視為相對獨立的，缺乏對它們聯合研究的系統性探索。最近的一項研究（PANS，2022，119(17), e2120557119）讓我們認識到，將這兩種技術結合起來可能會激發出更具潛力的應用場景，并為多種情境下的溫度智能調控提供了機遇。

成果掠影

為增強研究人員對于上述兩種技術聯合研究，河海大學楊濤教授、澳大利亞昆士蘭大學Yusuke Yamauchi教授、浙江海洋大學徐興濤教授等團隊結合近期相關工作，撰寫了本篇綜述。此外，特別感謝南京大學的張嘉漢博士和中國科學院蘭州化學物理研究所的何成玉博士，他們在本文內容的討論過程中提供了寶貴的意見。

基于不同材料光譜特性以及能量流動方式，我們對如何將太陽能加熱技術與輻射制冷技術有機結合以實現被動式冷熱調控相關應用進行了全面綜述。特別地，提出“動態雙面神”行為構架兩種技術之間的聯系。太陽能光熱轉換和輻射制冷作為一對孿生應用，在各種場景中動態調控的便利性和節能性應當被充分重視。提出“動態雙面神”這一新概念，呼吁研究者更深入地關注這類應用，以更好迎接智能化時代的挑戰。綜述成果以“Dynamical Janus-like Behavior Excited by Passive Cold-Heat Modulation in the EarthSun/Universe System: Opportunities and Challenges”為題發表于《Small》期刊。

圖文導讀

綜述內容主要從三個方面進行討論：

(1) 動態雙面神行為提出：

圖1. 雙面神和動態雙面神行為示意圖

“雙面神”用來描述具有兩種不同特性的材料或納米粒子，廣泛形容物體靜態物化特性（如不同的表面親/疏水性、磁性、光學特性、電學特性等差異），不同部分的特性有助于改善整體的化學和物理特性，以滿足特定的應用需求。受到這個概念的啟發，引入了“動態雙面神”行為的概念，用來闡述某一材料物化屬性或者某一應用差異化特性動態轉換（圖1）。這些特性可以自適應轉換或者人工控制轉換，是一個動態屬性的概念。不同的特性轉變可能由外部環境刺激信號驅動，包括但不限于溫度、濕度、壓力和光強等因素。

圖2. 經典雙面神與地球-太陽/太空系統中的雙面神行為示意圖

動態雙面神行為的材料：材料導電性轉換，如超導和絕緣之間動態轉換，可以為具有自修復、可重構性和可回收性的多功能電子設備組裝提供可能性。材料潤濕性轉換，如超親水和超疏水之間動態轉換可以為滴液操縱、油水分離、信息加密、水收集等領域提供極大便利。

動態雙面神行為的應用：應用包括一組相互連接或者并行的系統，其能量流動或轉化方向可以在環境因素的刺激作出自適應性（或主動控制）變化。這些應用同步化實現，可以顯著降低各種應用的綜合能耗并提高耐久性。例如電化學脫鹽電池在運行過程消耗電能，產生淡水資源。在其再生過程中可以視為鹽差發電設備用于電能生產，且同時解決膜組件表面鹽結晶。

(2) 光熱轉換與輻射制冷機制：

被動式太陽能加熱和輻射冷卻的應用，作為具有動態雙面神行為的典型示例，通過材料太陽光吸收和紅外發射光譜的有效調控，實現地球和太陽/太空之間的能量選擇性傳遞。這種應用滿足工作流程可逆（例如地面物體的溫度可調節），并且能量流向不同（例如，升溫即太陽向地面物體傳遞熱量；降溫即地面物體向太空傳遞熱量），協同研究從而有助于能量的高效利用。因此，太陽/太空-地球之間能量傳遞軌跡分析至關重要。地球表面（約300K）、太陽（約5700K）和太空（3K）之間的巨大溫差作為能量的傳遞驅動力。本文首先闡述了這些溫差導致的能量交換波段差異（維恩位移定律和熱力學第二定律），其次介紹了光熱材料（一般性光熱材料、光譜選擇性光熱材料）和輻射冷卻材料（日間輻射冷卻材料、夜間輻射冷卻材料）的理想光譜、材料種類以及能量轉換機制。這些理論為研究人員探索光熱技術和輻射制冷技術聯合應用提供充足的理論支持。

圖3. 冷熱調控的能量流動軌跡以及對應材料的理想光譜

(3) 光熱轉換與輻射制冷應用場景對比：

太陽加熱和輻射冷卻技術在水資源獲取、發電、智能服裝、溫控建筑物、智能窗戶、防結冰及冰川保護和農業種植等領域展現出巨大潛力。本文全面地闡述了在不同應用條件下加熱、制冷以及動態冷熱調節的相關研究工作并且詳細分析其光譜調控方式。此外，根據應用的不同，其在保持太陽加熱（高太陽光吸收率）和輻射冷卻（高紅外發射率）調控基礎上實現專有屬性的調節。例如，衣服的不透光性和玻璃的透光性需要考慮材料在可見光區域的透光率調控。最后，不同應用的材料光譜調控基礎上，其穩定性、耐腐蝕性和機械性能也需要考慮在內。