本文由論文作者團隊撰稿

自古至今，保溫在許多工農業(yè)過程中發(fā)揮著至關重要的作用。其中夜間保溫由于缺乏太陽能量，而更具挑戰(zhàn)性。在夜間，地表通過大氣透明窗口(8-14 μm)向太空(~3K)直接輻射傳熱，導致地面附近的溫度急劇下降，對農業(yè)（作物）、運輸（戶外線纜）等均構成了巨大威脅。傳統(tǒng)夜間保溫依賴于能耗高的主動加熱器，需要額外的電力供應系統(tǒng)并增加碳排放。無源保溫方式，如絕熱毯和低發(fā)射率（low-e）薄膜，提供了能源友好的替代方案。然而，這些方法效果甚微，凈熱損耗較大。

眾所周知，空氣具有較高的比熱容，在夜間可以保持比地面高的溫度，在一定程度上可以成為地面物體增溫的外部熱源。然而，要利用地球上方的大氣空間的能量，傳導和對流機制已無法勝任，必須采用輻射熱傳遞方式。

近日，浙江大學李強教授和西湖大學仇旻教授研究團隊提出了一種基于納米光子調控的夜間增溫策略，即被動地抑制物體在大氣透明窗口(8-14 μm)的熱輻射，同時主動地利用大氣輻射波段(5-8 μm和14-16 μm)的能量。

具體來說，他們在目標表面覆蓋一層納米級光學薄膜（增溫膜）來實現(xiàn)，該薄膜在大氣透明波段具有高反射率，在大氣輻射波段具有高吸收率，因此能夠實現(xiàn)對能量的高效調控，從而有效提高目標溫度。

該成果以“Night-time Radiative Warming Using the Atmosphere”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

圖1：（a）地表與大氣及外太空輻射熱傳遞示意圖。（b）紅外吸收/輻射率譜圖。

為了開發(fā)這一策略，研究團隊首先建立了一個能量流模型，集成了光熱-熱光轉換、多個熱力學源和溫度場。通過考慮環(huán)境因素，他們提出，一個理想的中紅外選擇性反射器可以有效提高目標溫度，并在某些情況下產生正凈熱增益（Pnet>0）。

在此基礎上，研究團隊通過光學仿真優(yōu)化，設計并制備了這一器件，其采用寬帶紅外吸收襯底結合鍺、硫化鋅一維光子晶體膜系，實現(xiàn)了大氣透明窗口反射率達0.9，大氣輻射波段吸收率達0.7。

戶外熱測試驗證了該策略的有效性。實驗表明，通過覆蓋這種增溫膜，目標的溫度較傳統(tǒng)的低發(fā)射率薄膜和寬帶吸收表面分別提高2.1℃/4.4℃。更重要的是，實驗中觀察到的凈熱損失僅為9 W m?2，而寬帶反射和寬帶吸收表面的凈熱損失分別為16 W m?2和39 W m?2。

此外，作者評估了該增溫策略在不同氣候城市的應用潛力，結果顯示不同氣候城市的年均節(jié)約電量均可達到300 kWh m?2。

圖2：（a）室外溫度測試實驗結果。（b）凈熱損耗測試實驗結果。（c）不同氣候城市節(jié)能效應估算。

前景與展望

本研究提出了一種基于納米光子調控的夜間增溫策略，通過調控光熱-熱光轉換，能夠高效地控制能量流動，在很多熱管理場景中具有應用價值。這種新穎的夜間增溫策略理論上可以在沒有電力輸入的情況下，實現(xiàn)正凈熱增益，為可持續(xù)熱管理提供了新的途徑，因此在應對氣候變化挑戰(zhàn)和促進碳中和方面具有相當大的潛力。

論文信息

Zhu, Y., Zhou, Y., Qin, B. et al. Night-time radiative warming using the atmosphere. Light Sci Appl 12, 268 (2023)

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01315-y

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