Robust Radiative Cooling in Functionalizable Silica Microsphere Paints

技術要約：機能化可能なシリカマイクロ spheres ペイントにおける堅牢な放射冷却

問題提起
受動的な昼間放射冷却（RC）は、高い太陽光反射率（>90%）と、大気の窓（ATW、8–13 µm）内での強力な熱放射を同時に示す材料に依存している。シリカ（SiO₂）マイクロ spheres を用いた無秩序なコーティングは、多重ミー散乱を利用して反射率を高め、多孔質構造によって放射率を向上させる、有望かつスケーラブルなプラットフォームである。粒子径の最適化は、単一散乱効率を最大化するために極めて重要であると伝統的に考えられているが、「多重散乱」または「拡散」領域におけるこれらのシステムの挙動は依然として不明である。具体的には、コーティングの厚さ（$L$）が輸送平均自由行程（$l_t$）を大幅に超える場合、マイクロ spheres の直径が放射冷却性能に有意な影響を与えるかどうかが分かっていない。既存の文献では最適化が不可欠であると示唆されているが、集団的な光輸送が支配的になる際にそのような制約が持続するかどうかは確立されていない。

手法
著者らは、公称直径 2, 4, 6, 8 µm の市販シリカマイクロ spheres を用いて、無秩序なフォトニックガラスコーティングを作製し、その特性を調査した。コーティングは、高反射基材上に約 25 µm の均一な厚さで堆積された。本研究では、多角的な特性評価アプローチを採用した：

1. 光学分光法： UV-Vis 反射率および中赤外放射率を測定し、太陽光反射率と ATW 放射率を決定した。
2. コヒーレント後方散乱（CBS）： 輸送平均自由行程（$l_t$）を定量化し、コーティングが拡散輸送領域（$L \gg l_t$）で動作していることを確認するために測定を行った。
3. 屋外熱特性評価： バルセロナ（2025年10月）において、直接日光下でのコーティング温度を、周囲の空気および参照基材と比較しながら長期モニタリングした。
4. 放散電力測定： 抵抗加熱器を用いて制御された温度差（$\Delta T = 5–30$ °C）を課し、正味の冷却電力（$P_{net}$）を測定し、エネルギーバランス解析を通じて太陽吸収を推定した。

主な結果

• 拡散領域の確認： コヒーレント後方散乱測定により、輸送平均自由行程（$l_t$）が 2 µm の粒子で ~3.7 µm から 8 µm の粒子で ~7 µm であることが明らかになった。すべてのケースにおいて、コーティングの厚さ（$L \approx 25$ µm）は $l_t$ よりも大幅に大きく（3.5倍から7倍）、光の輸送が個々の粒子の共鳴ではなく、集団的な多重散乱によって支配されていることが確認された。
• スペクトル不変性： 微視的な散乱特性や $l_t$ には差異が見られるものの、マクロな光学特性は堅牢であった。すべてのコーティングが 93.6% から 95.3% の太陽光反射率と、0.91 から 0.95 の ATW 放射率を示した。これらの値は、全直径範囲にわたって約 3% 以内の変動であった。
• 熱性能： 屋外熱測定では、すべてのコーティングがピーク日射量（~800 W/m²）において、周囲の空気とほぼ同一の温度を維持した。夕方には、すべてのコーティングが参照表面に対して最大 4.8 °C の温度低下を達成した。日没後、それらは周囲温度より最大 3.7 °C 低下した。
• 冷却電力： 夜間の放射冷却電力は、異なる粒子径間で 44 から 61 W/m² の範囲であり、直径への系統的な依存性は示さなかった。熱的に推定された太陽吸収（5.5–7.6%）は、分光測定された値（4.8–6.4%）と密接に一致しており、熱測定の妥当性を裏付けた。

主要な貢献と意義
本研究の主要な貢献は、光学的に厚い無秩序なフォトニックガラスコーティングにおいて、放射冷却性能が（システムが拡散領域で動作している場合）マイクロ spheres の直径の変化に対して堅牢であることを示したことである。

論文は、条件 $L \gg l_t$ が満たされると、冷却性能は正確な粒子径の最適化に対して鈍感になることを主張している。著者らは、この限界においては、光の伝播は個々の粒子の共鳴ではなく、集団的な輸送特性によって支配されると考えている。

分野における意義
著者らは、この直径不変性が、拡散コーティングにおける放射冷却の定義的な特徴であると主張している。この堅牢性は、材料工学において実用的な意味を持つ：

• 放射冷却の性能を、コロイドの組み立てや粒子径制御の厳格な制約から切り離す。
• 表面化学の要件や加工上の制約などの他の要因に基づいて、マイクロ spheres のサイズを選択することを可能にする。
• 放射冷却をより広範なコロイド化学のツールボックスと統合することを容易にし、熱効率を損なうことなく、機能化や化学的チューニングを可能にする。

本研究は、コーティングが光学的に厚く、拡散限界で動作している限り、精密な粒子径制御を必要とせずに、スケーラブルで多機能な冷却材料を開発できると結論付けている。