Science | 在阳光下保持凉爽——高反射率陶瓷

地球表面的地面物体在日照下吸收太阳热量，并以红外辐射的形式将热量散发到外太空。如果辐射热量大于吸收的太阳能，就能在白天实现被动辐射冷却，而无需任何能量输入。然而，这种方法需要材料强烈反射阳光，同时发射长波红外光 — 这是为了使其能逃逸地球大气层而不被反射回来。

主要由二氧化硅（ SiO2 ）和氧化铝（ Al2O3 ）组成且允许长波红外光发射的陶瓷材料可以满足这些要求。此外，它们还具备耐久性、热稳定性和防水性。 Zhao 等人（ 1 ）和 Lin 等人（ 2 ）分别描述了一种 玻璃基陶瓷涂层和陶瓷复合材料 ，这些材料表现出被动的日间辐射冷却和对恶劣环境的抵抗能力。这些进展可能为使建筑降温提供更环保的方式。

纳米光子冷却器的设计开创了白天辐射制冷的方式，但要将纳米结构材料工程化以在特定波长反射和发射光，成本较高（这些结构通常由多层薄膜或纳米颗粒组成，以实现所需的光学特性）。同时为实现低成本和规模化生产，需要制造基于聚合物的结构，包括聚合物 - 金属杂化膜、多孔聚合物和聚合物 - 介电涂料。

然而，有机聚合物容易老化，在户外环境中耐久性差。像 SiO2 、和 Al2O3 这样的陶瓷具有出色的环境稳定性。虽然基于陶瓷的纤维膜已被用于辐射制冷，但制造具有足够机械强度的陶瓷结构仍然具有挑战性。

材料的光传输特性由其 折射率和消光系数决定 。折射率表明光在穿过材料时偏离的程度；消光系数与材料吸收的光量成正比。用于白天辐射冷却的理想材料通常需要 在太阳光谱（近红外、可见光和紫外线）中具有高折射率和低消光系数，并在长波红外光中具有高消光系数 。然而，在太阳光谱中具有低消光系数而在长波红外中具有高消光系数的材料，如聚合物和金属氧化物，通常在太阳光谱中具有低折射率。

通过优化陶瓷的微观结构， Zhao 等人和 Lin 等人分别展示了超过 96% 和 99.6% 的近乎完美的太阳反射率，以及超过 95% 和 96.5% 的高长波红外辐射发射率。

由 Zhao 等人开发的冷却玻璃基陶瓷涂层由嵌入 Al2O3 纳米颗粒的多孔 SiO2 基框架组成，而 Lin 等人开发的冷却陶瓷复合材料则由多孔 Al2O3 框架构成。两者都涉及在 Al2O3 结构上的太阳光散射。然而， Zhao 等人优化了 Al2O3 颗粒作为谐振器，而 Lin 等人实现了从 Al2O3 框架的孔内进行光散射。 Zhao 等人还调节了玻璃颗粒中 SiO2 成分的直径，以匹配长波红外辐射（从而促进长波红外发射）。