科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
去年，地球經(jīng)歷了有記錄以來最炙熱的一年。然而，2024年的酷暑更兇猛，7月里竟有4天連續(xù)刷新地球歷史上“最熱日”的紀(jì)錄。研究表明，極端高溫不僅加劇了水資源短缺現(xiàn)象，令電網(wǎng)不堪重負(fù)，而且每年造成近50萬人死亡。
面對(duì)這場(chǎng)“熱浪挑戰(zhàn)”，科學(xué)家紛紛亮出奇招。英國《自然》網(wǎng)站在近日的報(bào)道中展示了一些“降溫秘籍”：從能釋放熱量的超冷材料，到智能調(diào)節(jié)熱量的相變材料，再到新型高效空調(diào)，科學(xué)家正積極探索為城市降溫的新策略。
研發(fā)電熱冷卻設(shè)備，引領(lǐng)清涼新風(fēng)尚
大多數(shù)空調(diào)和冰箱通過壓縮或膨脹流體來吸收或釋放大量熱量。盡管這些方法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但會(huì)排放溫室氣體并消耗大量能源。國際能源署的數(shù)據(jù)顯示，全球空調(diào)和電風(fēng)扇耗電量約占建筑物總耗電量的20%。該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2050年，全球空調(diào)所需能源將激增3倍。更令人擔(dān)憂的是，空調(diào)中使用的冷卻劑對(duì)環(huán)境有害。
科學(xué)家正尋找取代傳統(tǒng)空調(diào)的新方法。去年11月，盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所的伊曼紐爾·德費(fèi)團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章稱，他們成功研制出一種由金屬鉛、鈧和鉭制成的制冷裝置，理論上工作效率最高可達(dá)60%左右。
這一創(chuàng)新的核心在于巧妙利用電熱冷卻原理。當(dāng)電場(chǎng)作用于材料（陶瓷）上，改變電荷方向時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料溫度暫時(shí)升高。當(dāng)電場(chǎng)撤離，材料會(huì)迅速降溫。整個(gè)系統(tǒng)無須任何移動(dòng)部件，也不使用對(duì)環(huán)境有害的制冷劑，工作效率是標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)系統(tǒng)的兩倍，能大幅降低能源消耗。
德費(fèi)團(tuán)隊(duì)與日本村田株式會(huì)社合作，制造出了原型設(shè)備。德費(fèi)指出，村田公司生產(chǎn)的這種特殊陶瓷，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦等設(shè)備上，為新型制冷裝置的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，不過將這一前沿技術(shù)轉(zhuǎn)化為普及性產(chǎn)品尚需時(shí)日。
超冷和相變材料，提供降溫新方案
除研制冷卻系統(tǒng)外，科學(xué)家還研發(fā)出一些新型超冷材料和相變材料，旨在為城市的防暑降溫提供新方案。
所有材料都會(huì)反射部分陽光，并以熱量的形式釋放能量。但超冷材料不僅能反射大部分太陽輻射，又能釋放大量熱輻射，無須電力即可實(shí)現(xiàn)降溫。
2014年，美國斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授范善輝和研究助理阿斯沃斯·羅曼等人在《自然》雜志上發(fā)表文章稱，他們開發(fā)出一個(gè)超冷表面。這款超薄多層材料既能“卸載”建筑物內(nèi)的紅外熱量，又能反射加熱建筑物的太陽光，猶如給建筑物披上了一層“制冷外衣”。新材料由7層交替的二氧化硅和二氧化鉿組成，當(dāng)安裝在屋頂上時(shí)，日間降溫可達(dá)5℃。
超冷材料領(lǐng)域近年來發(fā)展迅速?？茖W(xué)家利用塑料、金屬、油漆甚至木材等，研制出各式超冷材料。
今年7月，中國四川大學(xué)環(huán)保型高分子材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室趙海波教授等人在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文稱，他們研制出一種具有高太陽光反射率、可大規(guī)模制備、可循環(huán)利用的全生物質(zhì)輻射冷卻氣凝膠。該氣凝膠由明膠和DNA制備而成。研究結(jié)果顯示，在高太陽輻照度的戶外條件下，該氣凝膠表面溫度比環(huán)境溫度低16℃，表現(xiàn)出優(yōu)異的制冷性能。
澳大利亞墨爾本大學(xué)團(tuán)隊(duì)2023年在《材料化學(xué)》雜志描述了由懸浮納米顆粒組成的“相變油墨”。這種材料被加熱并變成金屬時(shí)，呈線性結(jié)構(gòu)，可反射多余熱量，從而給周圍環(huán)境降溫。當(dāng)它被冷卻時(shí)，呈鋸齒形結(jié)構(gòu)，允許熱量進(jìn)入，讓周圍環(huán)境保持溫暖。團(tuán)隊(duì)希望將這種油墨用作窗戶涂料，并根據(jù)季節(jié)設(shè)計(jì)不同涂層，使建筑物冬暖夏涼。
從實(shí)驗(yàn)室到城市，亟待規(guī)范化發(fā)展
在與熱浪的較量中，哪些冷卻技術(shù)最終脫穎而出，目前尚不可知。眾多創(chuàng)意仍“藏身”實(shí)驗(yàn)室靜待時(shí)機(jī)；有些則“牛刀小試”，部署于小型項(xiàng)目中。
例如，有科學(xué)家提出，在陰云密布或潮濕天氣條件下，超冷材料或許難以施展“身手”。這是因?yàn)樗魵鈺?huì)捕獲紅外輻射，阻止其散發(fā)到太空。
今年1月，澳大利亞新南威爾士大學(xué)物理學(xué)家馬蒂伊斯·桑塔莫瑞斯團(tuán)隊(duì)提出一項(xiàng)戰(zhàn)略行動(dòng)：他們用超冷材料改造沙特阿拉伯首都利雅得建筑物，同時(shí)將灌溉樹木的數(shù)量增加一倍，預(yù)計(jì)使該城市氣溫降低了4.5℃。
趙海波教授在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示：“超冷材料具有無須額外輸入能源即可實(shí)現(xiàn)制冷的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，未來有望在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。智能化和多功能化也是這類材料發(fā)展的重要趨勢(shì)?！?/p>
但趙海波同時(shí)提醒：“目前這類材料大多處于學(xué)術(shù)研究階段，對(duì)成本、施工條件等因素考慮較少，需要與工程需求相結(jié)合，以達(dá)到實(shí)用化目標(biāo)。此外，超冷材料的性能評(píng)價(jià)方法尚不統(tǒng)一，國際上缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，亟須制定一套可靠的規(guī)范化研究標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)該領(lǐng)域健康發(fā)展。”
