近日，新加坡南洋理工大學(xué)博士生費(fèi)紀(jì)鵬和所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一款新型復(fù)合制冷涂料。從機(jī)理上講，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)制冷機(jī)理與新型光學(xué)輻射制冷的有效統(tǒng)一。

圖|費(fèi)紀(jì)鵬（來(lái)源：費(fèi)紀(jì)鵬）

同時(shí)，在業(yè)界合作者的幫助下，研究團(tuán)隊(duì)全面評(píng)估并提升了所開(kāi)發(fā)涂層的應(yīng)用性，使這項(xiàng)成果超出了單純使用材料進(jìn)行概念驗(yàn)證的范疇。

通過(guò)結(jié)果驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)證明多種被動(dòng)制冷機(jī)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(shí)現(xiàn)單層涂料化，這也是復(fù)合制冷概念首次實(shí)現(xiàn)涂層化。在單一體系內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)納米顆粒行為的調(diào)控以及傳質(zhì)孔道的調(diào)控，對(duì)制冷效率進(jìn)行了提升，實(shí)現(xiàn)了綜合性能的優(yōu)解。

日前，相關(guān)論文以《通過(guò)合理設(shè)計(jì)熱光學(xué)和物質(zhì)傳遞特性實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)冷卻涂料》（Passivecoolingpaintenabledbyrationaldesignofthermal-opticalandmasstransferproperties）為題發(fā)在Science[1]，費(fèi)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(lái)源：Science）

本次論文得到了期刊編輯的認(rèn)可，在出版時(shí)期刊編輯總結(jié)稱(chēng)：“此前不久，研究團(tuán)隊(duì)與涂料產(chǎn)業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了密切合作，實(shí)現(xiàn)了此項(xiàng)技術(shù)的配方優(yōu)化與應(yīng)用性能的提升，這也是對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用化潛力的重要認(rèn)證?！?/p>

目前，此項(xiàng)成果已接近于中試階段，研究團(tuán)隊(duì)正在尋找規(guī)?；臏y(cè)試平臺(tái)與場(chǎng)地，進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用評(píng)估。其主要應(yīng)用場(chǎng)景為建筑的側(cè)墻以及戶(hù)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(shí)住房、電箱、集裝箱等，旨在實(shí)現(xiàn)有效的能耗降低、設(shè)備保護(hù)以及效率提升等。

（來(lái)源：Science）

近年來(lái)，人們承受著由全球變暖和城市化快速發(fā)展帶來(lái)的日益增長(zhǎng)的熱壓力，在能耗、健康方面的問(wèn)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(guò)零能耗、低能耗手段有效解決、削弱主動(dòng)制冷的排放、負(fù)反饋問(wèn)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(diǎn)。

由于南洋理工大學(xué)地處東南亞熱帶，全年熱壓力問(wèn)題突出，對(duì)此類(lèi)技術(shù)的需求尤為突出，成為促進(jìn)這項(xiàng)研究的關(guān)鍵因素。同時(shí)，這項(xiàng)研究也是基于研究團(tuán)隊(duì)前期對(duì)被動(dòng)制冷技術(shù)探索的一個(gè)深度拓展。自2020年開(kāi)始涉足被動(dòng)制冷領(lǐng)域以來(lái)，費(fèi)紀(jì)鵬主要致力于開(kāi)發(fā)新型的光學(xué)輻射制冷。

最開(kāi)始在學(xué)術(shù)范圍內(nèi)，他和所在團(tuán)隊(duì)僅針對(duì)概念驗(yàn)證進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，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(shí)，他們從光學(xué)角度研究科顆粒，孔道對(duì)于制冷效果提升的潛力，并通過(guò)體系設(shè)計(jì)逐步實(shí)現(xiàn)了光學(xué)輻射制冷關(guān)鍵特性的極致設(shè)計(jì)。

然而，在環(huán)境測(cè)試中他們發(fā)現(xiàn)，縱然有了極致的光學(xué)設(shè)計(jì)，也無(wú)法實(shí)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(tuán)隊(duì)注意到了環(huán)境濕度對(duì)于輻射制冷的重要影響。由此，蒸發(fā)制冷機(jī)制被考慮作為集成的第三種被動(dòng)機(jī)制以促進(jìn)深度降溫。

有了機(jī)理設(shè)計(jì)之后，他們著手開(kāi)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(wú)機(jī)凝膠體系?！巴ㄋc(diǎn)來(lái)說(shuō)，這種體系就是像石頭本質(zhì)一樣的硅酸鹽體系。”費(fèi)紀(jì)鵬對(duì)DeepTech表示。

同時(shí)，他們還使用了水泥基體，這是因?yàn)槠渚邆涞统杀竞铜h(huán)保綠色的特點(diǎn)，以及能夠滿(mǎn)足涂層厚度靈活性的需求。然而，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中水泥體系里的水灰比的問(wèn)題因?yàn)楣鈱W(xué)改性顆粒變得難以調(diào)控。于是，他們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與理論探究，提出了親水填料下的有效水灰比概念，實(shí)現(xiàn)了涂層機(jī)械性能和成膜性的大幅提升。

經(jīng)過(guò)一年半的研發(fā)周期，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，動(dòng)態(tài)的復(fù)合制冷體系的降溫性能無(wú)法通過(guò)論文中常用的小面積片狀表面的測(cè)試進(jìn)行有效表征。于是，轉(zhuǎn)而采用了規(guī)?；炷练课輰?duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證概念。期間，他們針對(duì)三個(gè)房子進(jìn)行涂裝并安裝了獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，在控制涂層變量試驗(yàn)下，發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證其擁有大約40%的月節(jié)能效果。

（來(lái)源：Science）

有了材料設(shè)計(jì)和規(guī)?；?yàn)證，接下來(lái)要探索材料的應(yīng)用性與商業(yè)潛力。具體的實(shí)驗(yàn)從包括光學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)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(jué)舒適性等多個(gè)角度進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此類(lèi)材料具有優(yōu)異的應(yīng)用潛力，技術(shù)成本分析顯示，此類(lèi)材料相比傳統(tǒng)涂層具有低成本和長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)。

而在體系設(shè)計(jì)中，為了解決水灰比、開(kāi)裂和黏附性等問(wèn)題，費(fèi)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(shí)間是對(duì)自我知識(shí)儲(chǔ)備的一次巨大革新。同時(shí)，許多共同作者都傾力相助，時(shí)常進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，結(jié)合自己的背景提出不一樣的機(jī)理，在多輪優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，我們最終得到了有效水灰比的概念，同時(shí)也嘗試出互相匹配的添加劑種類(lèi)和含量。這段經(jīng)歷極大促成了此項(xiàng)工作的完成?！彼硎?。

此外，經(jīng)過(guò)前期3-4年對(duì)于被動(dòng)制冷技術(shù)的研究，這項(xiàng)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(wèn)題，并通過(guò)新的制冷機(jī)理為同時(shí)實(shí)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(lái)說(shuō)：

商業(yè)化上，在論文框架完成后的一年半時(shí)間內(nèi)，研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)在對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以生產(chǎn)10-50kg量級(jí)，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(xiàng)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)將著手開(kāi)發(fā)體系設(shè)計(jì)，使其適應(yīng)多種環(huán)境和多種表面。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)結(jié)合新型的蒸汽取水技術(shù)，開(kāi)發(fā)出適合干燥地區(qū)的復(fù)合制冷涂層。

目前，研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)立了一家開(kāi)發(fā)新型制冷涂料的初創(chuàng)公司EntropyLab，公司名字的靈感來(lái)源于能量的本質(zhì)——熵。對(duì)能量進(jìn)行管理，就是對(duì)熵進(jìn)行管理，研究團(tuán)隊(duì)將自己定位成科技企業(yè)，旨在通過(guò)持續(xù)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)化，給社會(huì)帶來(lái)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(xiàn)（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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