熱輻射是自然界中最重要的能量傳遞方式之一。而傳統(tǒng)的黑體輻射因非定向、非相干、寬光譜、無(wú)偏振等固有特性，致使輻射體與其周圍所有物體均進(jìn)行熱量交換，制約了傳熱效率和熱流操控能力，限制了其實(shí)際應(yīng)用。以輻射制冷為例，過(guò)往的輻射制冷器件通常呈現(xiàn)出全向的熱輻射特性，僅適用于開(kāi)闊的水平表面如屋頂，來(lái)最大限度面向溫度較低的天空，并盡可能隔絕器件與地面、周圍物體、大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量交換。當(dāng)它們被用于豎直表面如墻面、衣物、車輛側(cè)面等實(shí)際場(chǎng)景時(shí)，器件面向低溫天空的視場(chǎng)角縮小，需要大量吸收地面、周圍物體以及大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量，導(dǎo)致其亞環(huán)境輻射制冷失效。盡管近年來(lái)有國(guó)際團(tuán)隊(duì)嘗試調(diào)控?zé)彷椛涞墓庾V或角度，但豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷仍然面臨挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究員李煒團(tuán)隊(duì)與合作者，利用熱光子學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了熱輻射角度和光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控，設(shè)計(jì)出具有跨尺度對(duì)稱破缺性、角度非對(duì)稱光譜選擇性的定向發(fā)射器件——AS發(fā)射器件，實(shí)現(xiàn)了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷。相關(guān)研究成果以Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。研究發(fā)現(xiàn)，大氣透過(guò)率隨天頂角增大而減小，對(duì)于豎直表面而言，其法向方向是大氣透過(guò)率最低的方向，導(dǎo)致其極限制冷功率僅為~40 W m-2；與水平表面相比，豎直表面吸收太陽(yáng)的直接照射以及地面反射的太陽(yáng)光。這些因素進(jìn)一步對(duì)豎直表面的太陽(yáng)光反射率以及紅外熱輻射的角度和光譜特性提出了更嚴(yán)苛的要求。該研究從太陽(yáng)反射率、大氣透明窗口內(nèi)的光譜選擇性、熱輻射角度非對(duì)稱特性協(xié)同設(shè)計(jì)，以熱力學(xué)、互易性、波導(dǎo)和聲子激化共振等理論為基礎(chǔ)，利用跨尺度對(duì)稱破缺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱輻射在空間角度上的非對(duì)稱分布以及在光譜上的選擇性調(diào)控?？蒲腥藛T設(shè)計(jì)了打破鏡面對(duì)稱性的鋸齒光柵結(jié)構(gòu)。鋸齒光柵結(jié)構(gòu)的傾斜表面最外側(cè)的Ag層可抑制地面發(fā)射的熱輻射，而其橫向表面上的SiN層可以向天空發(fā)射光譜選擇性熱輻射，從而提供角度非對(duì)稱的熱輻射特性。由于熱力學(xué)和互易性的限制，鋸齒光柵周期須大于波長(zhǎng)才能實(shí)現(xiàn)角度非對(duì)稱并支持光耦合的準(zhǔn)連續(xù)頻率覆蓋。同時(shí)，鋸齒光柵表面的Ag層可以阻擋太陽(yáng)光進(jìn)入鋸齒光柵內(nèi)部，從而避免多次反射造成的太陽(yáng)光吸收。為進(jìn)一步提高發(fā)射器在太陽(yáng)光譜的反射率，一層孔隙尺寸為0.3-1 μm的多孔聚乙烯薄膜（nanoPE）被覆蓋在鋸齒結(jié)構(gòu)表面。Ag層和nanoPE薄膜的結(jié)合可以在整個(gè)太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈反射。同時(shí)，nanoPE薄膜的深度亞波長(zhǎng)孔隙尺寸使其在紅外波段具有可忽略不計(jì)的散射效率，確保了其較高的紅外透射率以及AS發(fā)射器的角度非對(duì)稱光譜選擇性輻射特性。為驗(yàn)證AS發(fā)射器的全天候輻射制冷性能，該研究在晴朗的夏季進(jìn)行了24小時(shí)連續(xù)的室外溫度測(cè)量。在一整天中，AS發(fā)射器的表面溫度始終低于環(huán)境溫度。即使在炎熱的正午，AS發(fā)射器仍保持約2.5°C的亞環(huán)境輻射制冷性能，相較于常規(guī)高性能輻射制冷器件和商用白漆分別低4.3℃和8.9℃。同時(shí)，該研究揭示了AS發(fā)射器在任意朝向下始終保持亞環(huán)境輻射制冷性能。進(jìn)一步，為探討AS發(fā)射器在實(shí)際場(chǎng)景的制冷性能，該研究考慮建筑物之間的熱輻射影響，并將所有發(fā)射器均面向正午最熱的南向墻壁。得益于AS發(fā)射器的角度與光譜協(xié)同調(diào)控能力，通過(guò)改變鋸齒光柵的寬高比，可調(diào)控?zé)彷椛涞陌l(fā)射角度范圍。因此，即使考慮建筑物之間的熱輻射，AS發(fā)射器的亞環(huán)境輻射制冷亦有效，且其表面溫度比常規(guī)高性能輻射制冷器件和商業(yè)白漆分別低3.5°C和4.6°C。在上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證外，該研究理論分析了考慮建筑間熱輻射時(shí)制冷功率的理論極限。該研究攻克了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷，對(duì)輻射制冷的實(shí)際應(yīng)用和節(jié)能減排具有重要意義；突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控能力，展現(xiàn)了高自由度的熱光子學(xué)操控能力，為操控?zé)崃骱托畔⑷缧滦透咝Ю鋮s、加熱、能量傳輸以及空間光學(xué)系統(tǒng)的高精度熱控等提供了新機(jī)遇。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。全向?qū)拵Оl(fā)射器件和角度非對(duì)稱光譜選擇性發(fā)射器件在豎直表面的輻射換熱過(guò)程AS發(fā)射器件的設(shè)計(jì)戶外輻射制冷性能測(cè)試考慮建筑之間熱輻射影響的實(shí)驗(yàn)與理論分析