Nanoparticulate selective emitters for effective radiative cooling in urban heat islands
本研究表明，纳米颗粒选择性发射体（Nano-SEs）通过在典型高密度城市景观受限的天空视角因子下实现更低的表面温度，显著优于宽带替代方案，从而在缓解城市热岛效应方面表现出色，并为增强城市热韧性提供了一种可扩展的解决方案。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
城市通常比周围的乡村热得多，这种现象被称为城市热岛效应。这些额外的热量来自于太阳加热建筑物和道路，随后这些建筑和道路将储存的能量辐射回空气中，从而形成一个反馈循环，使城市更难降温，也增加了生活成本。一种无需使用电力的、极具前景的对抗方式是辐射冷却。这个过程通过允许表面将其热量直接辐射到寒冷的真空宇宙中来实现。大气层就像一扇针对这些热量的“窗户”，允许红外辐射通过特定的波长波段，同时阻挡其他波长的辐射。如果一种材料能够通过这个大气窗口强烈地发射热量并反射阳光，理论上即使在周围空气很热的情况下，它也能实现自我冷却。
多年来，科学家们一直在争论构建这些冷却材料的最佳方法。一些设计是“宽带型”的，即在很宽的红外波长范围内发射热量。另一些则是“选择型”的，旨在仅通过那个特定的大气窗口发射热量，同时反射所有其他波长的热量。在天空无遮挡的开阔农村地区，先前的研究表明，复杂的选择型设计相比简单的宽带型设计仅具有微小的优势。这导致许多人认为，制造选择性发射器的额外努力是不值得的。然而，这一结论是基于假设拥有清晰视野的天空，而这种情况在现代城市密集且如峡谷般的街道中几乎不存在。
来自伦敦大学学院及其他机构的研究团队现在已经证明，在真实的城市屋顶世界中，选择性发射器表现得远为优越。他们发现，当冷却表面被炎热的建筑物包围时，简单的宽带材料会吸收来自这些墙壁的无用辐射热，导致它们自身升温。相比之下，选择性发射器则能反射来自建筑物的杂散热量，同时仍能让自身的热量逃逸到太空。为了证明这一点，研究人员开发了一种名为纳米颗粒选择性发射器的新型材料。他们没有使用难以制造的复杂刚性层，而是创造了由氮氧化硅组成的微小颗粒。这些颗粒经过工程化处理，具有多孔的海绵状结构，以确保在制造过程中能够被完全转化，从而使其具备仅通过大气窗口发射热量的完美能力。
研究人员在两种截然不同的环境中测试了这些材料。首先，他们将材料放置在视野开阔的伦敦屋顶上。正如预期的那样，选择性发射器的表现与宽带型材料几乎相同，都能使表面温度低于环境气温。这证实了在开阔空间中，选择性发射器的额外复杂性并不会带来显著收益。当研究人员模拟一个密集的城市环境时，情况发生了彻底改变。他们设置了一个测试，让冷却样本被加热的墙壁包围，以模拟高层建筑热腾腾的立面阻挡了天空视野。在这种情景下，宽带材料无法有效降温，由于吸收了来自墙壁的热量，其温度往往变得比周围空气还要高。然而，选择性发射器却能持续降温，保持比宽带版本显著更低的温度。
这种选择性设计的优势随着周围热量的增加而扩大。当研究人员模拟墙壁温度在40到80摄氏度之间时，选择性发射器的温度比宽带型低了多达5摄氏度。在甚至更极端的模拟实验中（热源达到500摄氏度），这种差距进一步拉大。这是因为来自极热物体的热辐射会向短波方向偏移，从而落在大气窗口之外；选择性材料自然地拒绝了这种热量，而宽带材料则吸收了它。团队还创造了该材料的两个版本：一个用于不透明屋顶的反射阳光版本，以及一个对阳光透明、用于窗户或温室的版本。这两个版本都保持了在拒绝来自热环境的热量的同时，将自身的热量向外辐射的能力。
利用基于伦敦实际布局的计算机模型，团队预测了如果整个城市街区都覆盖这些材料会发生什么。在低层建筑区域，两类材料的效果都不错。但在高层建筑区，即天空视野被摩天大楼严重遮挡的地方，宽带材料难以保持屋顶凉爽。然而，选择性发射器在整个区域内都能维持较低的温度，有效地抵消了被建筑捕获的热量。这项工作表明，虽然简单的冷却材料可能足以应对开阔空间，但面对密集的城市所带来的独特挑战，需要选择性发射器的精准度。通过拒绝来自邻近建筑的辐射热，并仅将热量释放到寒冷的宇宙中，这些新型的基于纳米颗粒的材料为让未来的城市更宜居、更高效地利用能源提供了一种可扩展且实用的方法。
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