近日，新加坡南洋理工大學(xué)博士生費紀(jì)鵬和所在團隊開發(fā)出一款新型復(fù)合制冷涂料。從機理上講，研究團隊通過材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了蒸發(fā)制冷機理與新型光學(xué)輻射制冷的有效統(tǒng)一。
圖|費紀(jì)鵬（來源：費紀(jì)鵬）
同時，在業(yè)界合作者的幫助下，研究團隊全面評估并提升了所開發(fā)涂層的應(yīng)用性，使這項成果超出了單純使用材料進(jìn)行概念驗證的范疇。
通過結(jié)果驗證，研究團隊證明多種被動制冷機制可以有效統(tǒng)一在單一、自發(fā)凝結(jié)的層狀結(jié)構(gòu)里，實現(xiàn)單層涂料化，這也是復(fù)合制冷概念首次實現(xiàn)涂層化。在單一體系內(nèi)，研究團隊通過對納米顆粒行為的調(diào)控以及傳質(zhì)孔道的調(diào)控，對制冷效率進(jìn)行了提升，實現(xiàn)了綜合性能的優(yōu)解。
日前，相關(guān)論文以《通過合理設(shè)計熱光學(xué)和物質(zhì)傳遞特性實現(xiàn)的被動冷卻涂料》（Passivecoolingpaintenabledbyrationaldesignofthermal-opticalandmasstransferproperties）為題發(fā)在Science[1]，費紀(jì)鵬是第一作者，南洋理工大學(xué)李洪教授擔(dān)任通訊作者。
圖|相關(guān)論文（來源：Science）
本次論文得到了期刊編輯的認(rèn)可，在出版時期刊編輯總結(jié)稱：“此前不久，研究團隊與涂料產(chǎn)業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了密切合作，實現(xiàn)了此項技術(shù)的配方優(yōu)化與應(yīng)用性能的提升，這也是對于此項技術(shù)應(yīng)用化潛力的重要認(rèn)證?！?/p>
目前，此項成果已接近于中試階段，研究團隊正在尋找規(guī)模化的測試平臺與場地，進(jìn)行實際的應(yīng)用評估。其主要應(yīng)用場景為建筑的側(cè)墻以及戶外的具有熱壓力的電氣設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施，比如光伏、通訊基站、臨時住房、電箱、集裝箱等，旨在實現(xiàn)有效的能耗降低、設(shè)備保護以及效率提升等。
（來源：Science）
近年來，人們承受著由全球變暖和城市化快速發(fā)展帶來的日益增長的熱壓力，在能耗、健康方面的問題尤為嚴(yán)重?？照{(diào)雖是一種有效的局部降溫手段，但是其熱排放和高耗電量與環(huán)境形成了負(fù)反饋。通過零能耗、低能耗手段有效解決、削弱主動制冷的排放、負(fù)反饋問題，甚至一定程度上替代空調(diào)，成為目前的技術(shù)研究潮流與熱點。
由于南洋理工大學(xué)地處東南亞熱帶，全年熱壓力問題突出，對此類技術(shù)的需求尤為突出，成為促進(jìn)這項研究的關(guān)鍵因素。同時，這項研究也是基于研究團隊前期對被動制冷技術(shù)探索的一個深度拓展。自2020年開始涉足被動制冷領(lǐng)域以來，費紀(jì)鵬主要致力于開發(fā)新型的光學(xué)輻射制冷。
最開始在學(xué)術(shù)范圍內(nèi)，他和所在團隊僅針對概念驗證進(jìn)行材料設(shè)計，期間完全不考慮應(yīng)用性、生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性、環(huán)保性與成本。那時，他們從光學(xué)角度研究科顆粒，孔道對于制冷效果提升的潛力，并通過體系設(shè)計逐步實現(xiàn)了光學(xué)輻射制冷關(guān)鍵特性的極致設(shè)計。
然而，在環(huán)境測試中他們發(fā)現(xiàn)，縱然有了極致的光學(xué)設(shè)計，也無法實現(xiàn)像在干燥地區(qū)下的有效的亞環(huán)境降溫。進(jìn)而，研究團隊注意到了環(huán)境濕度對于輻射制冷的重要影響。由此，蒸發(fā)制冷機制被考慮作為集成的第三種被動機制以促進(jìn)深度降溫。
有了機理設(shè)計之后，他們著手開始打造研發(fā)體系。傳統(tǒng)的高分子聚合物由于其有限的耐水性和穩(wěn)定性，不適用于頻繁的水循環(huán)。于是，他們轉(zhuǎn)向無機凝膠體系?！巴ㄋc來說，這種體系就是像石頭本質(zhì)一樣的硅酸鹽體系?！辟M紀(jì)鵬對DeepTech表示。
同時，他們還使用了水泥基體，這是因為其具備低成本和環(huán)保綠色的特點，以及能夠滿足涂層厚度靈活性的需求。然而，在開發(fā)過程中水泥體系里的水灰比的問題因為光學(xué)改性顆粒變得難以調(diào)控。于是，他們通過大量實驗與理論探究，提出了親水填料下的有效水灰比概念，實現(xiàn)了涂層機械性能和成膜性的大幅提升。
經(jīng)過一年半的研發(fā)周期，研究團隊認(rèn)為，動態(tài)的復(fù)合制冷體系的降溫性能無法通過論文中常用的小面積片狀表面的測試進(jìn)行有效表征。于是，轉(zhuǎn)而采用了規(guī)?；炷练课輰Ρ仍囼烌炞C概念。期間，他們針對三個房子進(jìn)行涂裝并安裝了獨立的空調(diào)系統(tǒng)，在控制涂層變量試驗下，發(fā)現(xiàn)并驗證其擁有大約40%的月節(jié)能效果。
（來源：Science）
有了材料設(shè)計和規(guī)模化驗證，接下來要探索材料的應(yīng)用性與商業(yè)潛力。具體的實驗從包括光學(xué)穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性、成膜性、多表面粘附力、環(huán)境穩(wěn)定性以及視覺舒適性等多個角度進(jìn)行。實驗結(jié)果表明，此類材料具有優(yōu)異的應(yīng)用潛力，技術(shù)成本分析顯示，此類材料相比傳統(tǒng)涂層具有低成本和長壽命的優(yōu)勢。
而在體系設(shè)計中，為了解決水灰比、開裂和黏附性等問題，費紀(jì)鵬從頭自學(xué)經(jīng)典混凝土材料理論課程，并且每日找同校土木學(xué)院的博士和博后進(jìn)行討論，以便尋找潛在的解決方案。
“那段時間是對自我知識儲備的一次巨大革新。同時，許多共同作者都傾力相助，時常進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，結(jié)合自己的背景提出不一樣的機理，在多輪優(yōu)化和實驗驗證后，我們最終得到了有效水灰比的概念，同時也嘗試出互相匹配的添加劑種類和含量。這段經(jīng)歷極大促成了此項工作的完成。”他表示。
此外，經(jīng)過前期3-4年對于被動制冷技術(shù)的研究，這項研究也解決了新型光學(xué)輻射制冷在濕熱地區(qū)效果受限的問題，并通過新的制冷機理為同時實現(xiàn)局部制冷和削弱環(huán)境熱島效應(yīng)提供了新的思路。
就本次成果的后續(xù)進(jìn)展來說：
商業(yè)化上，在論文框架完成后的一年半時間內(nèi)，研究團隊持續(xù)在對配方進(jìn)行優(yōu)化，并且與業(yè)界緊密聯(lián)系，嘗試降本增效。經(jīng)過實驗室成員的努力，配方已經(jīng)優(yōu)化150多代，并將在最近進(jìn)行中試。值得一提的是，研究團隊在實驗室已經(jīng)可以生產(chǎn)10-50kg量級，并且具有優(yōu)異的降溫、穩(wěn)定和施工性。
科研方面，基于此項技術(shù)研究團隊將著手開發(fā)體系設(shè)計，使其適應(yīng)多種環(huán)境和多種表面。同時，研究團隊計劃通過結(jié)合新型的蒸汽取水技術(shù)，開發(fā)出適合干燥地區(qū)的復(fù)合制冷涂層。
目前，研究團隊還創(chuàng)立了一家開發(fā)新型制冷涂料的初創(chuàng)公司EntropyLab，公司名字的靈感來源于能量的本質(zhì)——熵。對能量進(jìn)行管理，就是對熵進(jìn)行管理，研究團隊將自己定位成科技企業(yè)，旨在通過持續(xù)的技術(shù)開發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)化，給社會帶來新的產(chǎn)品。
眼下，該公司的主要業(yè)務(wù)為外墻的制冷涂料與內(nèi)墻的環(huán)保型涼感涂料，包含多表面的光學(xué)輻射制冷涂料產(chǎn)品線（商品化）與復(fù)合制冷涂料（中試階段）。當(dāng)前，該公司已經(jīng)獲得多筆研發(fā)意向投資。
參考資料：
1.J.Fei.etal.Passivecoolingpaintenabledbyrationaldesignofthermal-opticalandmasstransferproperties.Science388,6751，1044-1049(2025).DOI:10.1126/science.adt33
排版：劉雅坤
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