天空Sky 是一種天然的熱匯，已被廣泛用于家庭的被動(dòng)輻射冷卻。很多研究焦點(diǎn)，都集中在使用靜態(tài)冷卻優(yōu)化材料特性，在炎熱的白天最大限度地提高屋頂涂層的輻射冷卻能力。然而，在寒冷的夜晚或冬季，由此產(chǎn)生的過(guò)冷加劇了供暖成本，特別是在供暖主導(dǎo)能源消耗的氣候條件下。今日，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)，加利福尼亞大學(xué)室Junqiao Wu團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)文，報(bào)道開(kāi)發(fā)了一種機(jī)械柔性涂層，使其熱發(fā)射率適應(yīng)不同的環(huán)境溫度，從四季的角度進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。制造的溫度自適應(yīng)輻射涂層（TARC）最佳地吸收太陽(yáng)能，并自動(dòng)將熱發(fā)射度從環(huán)境溫度低于15°C時(shí)的0.20切換到溫度高于30°C時(shí)的0.90，這是利用光子放大的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)的。模擬結(jié)果表明，在大多數(shù)氣候條件下，尤其是在季節(jié)變化較大的氣候條件下，該系統(tǒng)在節(jié)能方面優(yōu)于現(xiàn)有的屋頂涂料。

全季節(jié)家用熱調(diào)節(jié)的溫度自適應(yīng)輻射涂層

圖1.溫度自適應(yīng)輻射涂層TARC及其對(duì)家庭熱調(diào)節(jié)的益處。

圖2.TARC的基本性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)表征。

金屬通常是電和熱的良導(dǎo)體。2017年，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，二氧化釩中的電子對(duì)電的行為就像金屬，對(duì)熱的行為像絕緣體，換句話說(shuō)，它們導(dǎo)電良好，但不導(dǎo)熱。低于67℃的二氧化釩對(duì)熱紅外光也是透明的，因此不吸收熱紅外光。但一旦二氧化釩達(dá)到67℃，它就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贍顟B(tài)，開(kāi)始吸收熱紅外光。在這種情況下，從絕緣體切換到金屬正是我們所熟知的相變材料的特征。

圖3.低溫真空室中TARC固有輻射冷卻功率的表征。

研究還表明，只用鎢取代二氧化釩中僅1.5%的釩（一種被稱為“摻雜”的技術(shù)），可以將材料的相變閾值降低到25℃，這是實(shí)際應(yīng)用的理想溫度。為了解二氧化釩在屋面系統(tǒng)中的表現(xiàn)，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)2厘米乘2厘米的TARC薄膜裝置，它由三層構(gòu)成：由銀制成的反射底層，由氟化鋇組成的透明中間層，以及包含有序塊狀二氧化釩“島”的頂層。

圖4.TARC在室外環(huán)境中的表征

被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)Passive radiative cooling technology ，利用紅外大氣窗口，使外層空間成為熱量的冷源。然而，這種效應(yīng)只在溫暖的月份對(duì)節(jié)能有幫助。在鎢摻雜的二氧化釩中，使用金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，來(lái)制造窗戶玻璃和屋頂涂層，通過(guò)在較低溫度下關(guān)閉輻射冷卻來(lái)繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)檗D(zhuǎn)變僅僅依賴于溫度，所以這種效應(yīng)也是被動(dòng)發(fā)生的。模型模擬表明，這些材料將使大部分氣候區(qū)全年節(jié)約能源。

溫度自適應(yīng)輻射涂層TARC還可能作為一種熱保護(hù)層來(lái)延長(zhǎng)智能手機(jī)和筆記本電腦的電池壽命，并保護(hù)衛(wèi)星和汽車免受極高或極低溫度的影響。它還可以用來(lái)制作帳篷、溫室覆蓋物，甚至帽子和夾克的調(diào)溫面料。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf7136

DOI: 10.1126/science.abf7136

本文譯自Nature。部分譯文參考了科技日?qǐng)?bào)，一并感謝。