炎炎夏日，Nature揭秘如何用科技对抗酷暑！

是时候准备好应对破纪录的高温了。2023年已是有记录以来最热的一年，而2024年甚至更极端——在内华达州、埃及和澳大利亚的一些日子里，气温飙升至接近50°C。2024年六月份被记为全球连续第13个气温创纪录的月份。而在七月份，有连续四天的气温是整个地球有记录以来最高的。

炙热的温度会引发水资源短缺，毁坏农作物，增加电网负荷，并引发热应激和大规模死亡——据估计每年会导致近50万人死亡[1]。因此，在这个日渐炎热的世界里，科学家们正在努力开发新方法来给城市降温，并同时大幅减少电力使用。进展包括高效空调以及无需耗电就能使其表面温度低于周围环境的特殊材料。

| 研究制冷

大多数空调和冰箱通过压缩液体来将室内或电器内部的热量转移到外部。但这个过程会排放温室气体，并大量消耗能源。根据国际能源署的数据，全球空调和电扇消耗了建筑中约20%的电力。该机构预测，到2050年，全球空调所用的能源将增长三倍。

考虑到这一点，许多研究人员正在努力减少空调消耗的能源量。2023年，一个研究团队开发了一种能使这些设备更加高效工作的技术，或可作为一个潜在的解决方案[2]。而且它还有一个额外的好处，那就是不依赖对环境有害的液体冷却剂。

卢森堡科学技术研究所的研究员Emmanuel Defay和他的同事们构建了一个基于“电热”制冷的设备。在制冷过程中，通过给一个绝缘陶瓷施加电场，来改变其中的原子的位置。但由于原子的运动受到了电场的限制，其振动会增加并转化为热能，由此提高材料的温度。这里的热量由流体带到了外界。一旦热量被移除，电场即被关闭，陶瓷中的原子可以更自由地运动。这使得其振动减少，从而降低了陶瓷的温度——这一变化就可以用来冷却。

该设备是与日本长冈京市的制造公司村田制作所合作设计的，该公司已经在为手机、计算机和其它硬件生产此种类型的陶瓷。Defay表示，这将有助于使该技术规模化。但他也提醒说，将其投入产品可能需要时间。他希望他和他的团队能在五年内制造出第一批用于细分市场的产品，如冷却电动汽车中的电池。然后，也许他们可以在下一个十年中着手于空调。

| 改变游戏规则的材料

其它组件——被称为超冷材料（supercool materials）——可能能够在没有电力的情况下将温度降低到环境温度以下。

所有材料都会反射一部分照射于其上的阳光，并且都会以热能的形式散发能量。而超冷材料在这两方面都有超常表现：它们反射大部分入射的太阳辐射并放出大量的热辐射。这使它们会比周围温度低。

“这些材料可能改变游戏规则。”亚利桑那州立大学的地理科学与城市规划学院院长David Sailor说。他不开发这些技术，但研究能怎么在城市环境中利用它们。它们不仅可以帮助降温建筑物——从而减少对空调的需求——还可以冷却室外空气。“如果一个表面总是比空气更凉，那么这个表面总会在空气流过它时，从空气中取出热量。”Sailor说，“所以它会主动冷却城市的大气。”

2014年，加州大学洛杉矶分校的材料科学家Aaswath Raman在加州的斯坦福大学进行研究时，设计出了第一种超冷材料。他和同事创造了一种冷却表面，其在太阳辐射峰值的可见波长上具有高反射率，且在中红外波段具有发射性[3]，后者正是关键。大气层捕获了地球表面物体以热量形式发射出的大部分红外辐射。但特定波段的红外辐射，即8-13微米波长段，可以直接穿过大气层并消失于太空中。超冷材料正利用了这个红外窗口。

Raman的工艺由七层交替的二氧化硅和二氧化铪层构成，在屋顶上安装后，始终保持着低于环境空气5°C的温度。

研究人员在亚利桑那州的一个停车场上涂上了特殊油漆（左图，浅色区域）。红外图像显示该区域比周围环境更为凉爽。版权：Edwin Ramirez/亚利桑那州立大学地理科学与城市规划学院

从那时起，这个领域爆炸式地发展了起来。在实验室中，已经制造出了塑料、金属、油漆甚至木材材质的超冷材料。

科学家们还在继续推动着它们的发展。2023年7月，中国四川大学的研究人员报告说，他们已可通过将商售三文鱼精子DNA和明胶溶液冷冻干燥，来制造超冷气凝胶[4]。在这一气凝胶置于室外时，表面温度可降低至比周围空气温度低最多16°C。

中国郑州大学的材料科学家刘宪虎没有参与这项研究，但对此感到心潮澎湃——因为这种材料使用的能源更少，并且比其它使用添加剂（如金属氧化物纳米颗粒）的超冷材料产生的污染物也更少。使用生物质材料也意味着它是可降解的。“这是可持续性和能源效率的罕有组合。” 刘宪虎说。

但Raman对研究结果的准确性有所怀疑。该团队测量的空气温度比当天当地的气象站报告的温度高出了20-30°C。“他们的温度传感器可能暴露在阳光下被加热了。”Raman表示。

不过，研究的主要研究员马健文说，他和团队测量的是一个封闭冷却测试箱内的空气温度，不是外部的大气温度[4]。“如今冷却测试的方法一直有所争论。”他说，“辐射冷却的特性依旧复杂且不完美，我们希望将来会有一个统一的标准。”

| 凉爽的表面

在他自己的研究中，Raman已经从超冷材料转向了被称为冷却材料（cool materials）的类别，这类材料通常被设计成反射大部分入射的太阳辐射，但不一定会被设计为放出大部分热辐射。

“你不需要在红外波段做这种花哨的事情，你只要让它真正反射太阳光。”他说，因为只要反射性足够强，大多数材料仍然会在全红外波段上发射热量，并达到略低于周围空气的温度。

Raman还在研究另一种应用于垂直表面（如建筑物立面）的材料。实现这一应用难度很大，因为立面既朝向天空又朝向地面，所以它们会在夏天吸收地面的热量，又在冬天散失热量给地面。

Raman的团队找到了一个可能的解决方案。2023年6月，研究人员报告了一种物理机制，它依赖于一种特殊材料来根据季节冷却或加热墙壁[5]。在夏季，该涂层选择性地向天空散热，且从地面吸收的热量远少于传统墙壁。而在冬天，它向地面失去的热量比传统墙壁要少。此外，该团队发现许多低成本材料具有这种独特的特性——包括用于薯片或炸薯条的聚丙烯袋。他表示，这一发现可能会造福于没有空调的地方，并且可以改善热舒适度甚至改善人类健康。

“我不想让人们加深‘这还远得很’之类的观念，特别是在建筑师和工程师中。”Raman说，“我希望他们意识到，我们现在就可以做很多事情。”

其他研究人员也在致力于这个问题。纽约哥伦比亚大学的材料科学家杨远和同事近期发表了一份报告，描述了他们将超冷油漆应用于波纹墙的工作——但只应用于波浪状图案朝向天空的一侧。然后，团队在朝向地面的一侧应用了一种吸收热量低的金属[6]，确保该侧不会吸收过多的热量。墙面的表面温度比周围空气低了2-3°C。该团队目前正在寻找经费支持进一步的开发。

另一些技术试图从地面开始为城市降温。2023年9月，Sailor领导亚利桑那州立大学坦佩校区的一个团队，与一家管理大型购物中心的美国公司合作，涂装并测试了一种反射性的“凉爽路面”。这种高反射涂层只是一种基于沥青的较浅色的密封剂，可以用来替代传统深色涂层，后者约每五年应用一次以作表面维护。作为测试，浅色密封剂被应用于购物中心停车场的近6000平方米区域，周围区域则涂以传统的深色密封剂，使Sailor和团队能做比较。

效果泾渭分明。Sailor表示，在下午早些时候，凉爽路面的地表温度比停车场的其它部分低近8°C，其上方的空气温度低0.8°C。但这一发现尚未发表。

尽管0.8°C可能看上去不太明显，但Sailor认为，如果能使亚利桑那州凤凰城的整个城市降温0.6°C，那将能减少能源消耗和水的使用，甚至能改善人类健康状况。Sailor估计，仅空调使用的下降就可以节省约2000万美元。

| 形变材料

澳大利亚墨尔本大学的工程师Mohammad Taha和团队正在采取不同的方法来给家里和房屋降温。2023年初，该团队描述了一种“相变墨水”，由根据温度改变相位的悬浮纳米颗粒组成，会从低温下的超导体变为更高温度下的金属[7]。

这一能力使材料可以根据外部温度保持凉暖。简单来说，当材料加热并变成金属时，它具有了可以反射额外热量的线性结构。当它冷却并变成超导体时，材料转变为了允许热量进入的绝缘曲折结构。

将来，Taha希望将这种墨水用作窗户涂层。“若要看建筑物在热损失方面的最弱环节，那就是窗户。”他们说，“一个完全由玻璃组成的建筑物在炎热的日子里感觉就像个温室。”如果Taha团队将来能够有效应用这种材料，情况可能会改变。而且研究人员还可以根据季节设计不同的涂层——分层排布，保持建筑物冬暖夏凉。

| 从实验室到城市

目前尚不清楚这些降温技术中哪些可能在未来产生重大影响。许多技术还没有离开实验室，其它一些也只应用于了小规模的项目。出于这个原因，Sailor认为研究人员在推进之前需要审慎评估所有新材料。“这对我们科学界很重要，而我也将评估这些技术视为我的职责之一：不仅要关注它们的优势，也要重视其缺点。”他说。

例如，凉爽路面有一个潜在的缺点，它向上反射辐射。当太阳高悬天空时，走在路面上的人会同时感受到来自上方的阳光和下方的反射辐射。他说这种涂层可能不太合适用在操场等环境，因为人们可能会在白天中午时段长时间停留。一个比较好的选项是用于街上的人行横道，他说，因为人们只会在那里走上几秒钟。

再有的问题是超冷材料在各种气候中的工作效果如何。比如说，如果是多云或潮湿气候，这些材料就可能效果不佳——因为水蒸气会捕获红外辐射，阻止其散入太空[8]。然而，Raman认为超冷材料在这些气候中仍然可以表现良好。他表示，就算它们不能充分降温空气，但也不会加热空气[9]。

另一个未知数是消费者是否会接受这个想法。即使是用更浅色的、反射性的屋顶替换旧屋顶这样简单的措施也没有被广泛采用。工作需要，Sailor经常带着红外相机乘直升机在凤凰城上空飞来飞去，他总是对深色屋顶的数量感到惊讶——尽管更凉爽、更浅色的屋顶多有益处。

尽管如此，一些城市正在测试和部署各种缓解技术。例如，洛杉矶一直在铺设凉爽路面，目标在2045年前将本地的凉爽表面增加30%。

澳大利亚新南威尔士大学的物理学家Mattheos Santamouris和团队在世界各地的300多个大型缓解项目中应用了类似的材料。24年1月，他的团队详细描述了一种多方位策略，将利雅得的气温降低多达4.5°C[10]。“这真是缓解项目之冠。”Santamouris说。利雅得已经开始采用的推荐方法包括用冷却材料和超冷材料改造建筑物，并将灌溉树木的数量增加一倍。

尽管这种方法包括一整套解决方案，但经Santamouris团队的计算，增加超冷材料的影响最大。Santamouris说，这些材料的“市场正在迅速增长”，“世界上有越来越多的工业生产商。我认为这是未来。”