城大突破性研發(fā)可應(yīng)用於建築物的製冷瓷磚 有效提升能源效益及對抗全球暖化
香港城市大學(xué)（城大）團隊最近在研發(fā)被動輻射製冷材料方面取得重大突破。團隊新研發(fā)的製冷瓷磚不耗能源及不用製冷劑，便能達致高效能製冷的光學(xué)特質(zhì)，兼具高成本效益、耐用及多功能的優(yōu)點，適合廣泛商業(yè)應(yīng)用，特別是建築業(yè)。製冷瓷磚可減低建築物的熱負(fù)荷，即使在惡劣天氣下仍能保持穩(wěn)定的冷凍表現(xiàn)，有助提升能源效益及對抗全球暖化。
研究結(jié)果已刊載於著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》，題為「具有高太陽反射率的階層式結(jié)構(gòu)被動輻射製冷瓷磚」（Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity）。
論文的通訊作者是城大能源及環(huán)境學(xué)院曹之胤教授、城大機械工程學(xué)系客座教授兼香港理工大學(xué)協(xié)理副校長（研究及創(chuàng)新）王鑽開教授。第一作者及第二作者分別是曹教授指導(dǎo)的城大能源及環(huán)境學(xué)院博士生林凱昕及陳思如。
被動輻射製冷被視為最具潛力的環(huán)保冷凍技術(shù)，有助應(yīng)對社會對空間冷凍的迫切需求、減低環(huán)境污染及對抗全球暖化。然而目前採用的納米光子結(jié)構(gòu)被動輻射製冷材料成本高且難以應(yīng)用兼容，另一替代材料聚合物光子則易受天氣影響，且未能有效反射陽光。
曹教授說：「我們研發(fā)的製冷瓷磚具有高效能的光學(xué)特性，並且堅固耐用。製冷瓷磚的顏色、氣候抗力、機械結(jié)構(gòu)堅固度及抑制萊頓弗羅斯特效應(yīng)（一種阻止熱傳遞，使液體在高溫表面冷卻失效的現(xiàn)象）的能力，均確保其耐用及多元化應(yīng)用的特質(zhì)。」
製冷瓷磚的獨有特質(zhì)源於其作為大型瓷磚材料的階層式多孔結(jié)構(gòu)，通過相轉(zhuǎn)化及燒結(jié)兩個簡單步驟，並使用容易取得的氧化鋁等非有機材料便可製成。製作過程無需使用精密設(shè)備或成本高昂的材料，因此可大量生產(chǎn)製冷瓷磚。
被動輻射製冷材料的冷凍效果取決於兩種不同波長範(fàn)圍的光子特質(zhì)：太陽波長範(fàn)圍（0.25-2.5微米）及中紅外線波長範(fàn)圍（8-13微米）。高效冷凍需要具有高反射能力的太陽波長範(fàn)圍，以減少吸收陽光熱能；而具有高散射能力的中紅外線波長範(fàn)圍，則可盡量令幅射熱能消散。由於氧化鋁具有廣闊的能帶差距，因此可盡量減少吸收太陽熱能。此外，製冷瓷磚模擬白金龜?shù)纳锇咨瑏K按米氏散射理論優(yōu)化其多孔結(jié)構(gòu)，可高效消散差不多所有波長的陽光，達致近乎完美的99.6%陽光反射率（最高紀(jì)錄的反射率）以及極高的96.5%中紅外線熱能散射率。製冷瓷磚具有上述高效能的光學(xué)特性，超越目前最先進的材料。
曹教授說：「大部分主要為聚合物光子的被動輻射製冷材料，最關(guān)注的問題是如何防止紫外線的損害。以氧化鋁造成的製冷瓷磚，能夠達致理想的抗紫外線效果，減低其損害。此外，製冷瓷磚能夠抵禦攝氏1,000度以上高溫，其極佳的防火能力超越大部分聚合物基或金屬基的被動輻射製冷材料。」
除了優(yōu)秀的光學(xué)表現(xiàn)，製冷瓷磚更有極佳的氣候抗力、化學(xué)穩(wěn)定度及機械結(jié)構(gòu)堅固度等優(yōu)點，非常適合於戶外作長期應(yīng)用。製冷瓷磚在極高溫底下有超親水表現(xiàn)，這是由於它具有互相連結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)，可快速吸收水滴，並同時令水滴立即散開，因此能夠抑制傳統(tǒng)建築外殼材料常有的萊頓弗羅斯特效應(yīng)，達致高效蒸發(fā)冷卻。
萊頓弗羅斯特效應(yīng)是指液體接觸到遠(yuǎn)超其沸點的物件時出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，即液體未能立即沸騰蒸發(fā)，反而形成一層水蒸氣，阻隔液體直接與高熱物體表面接觸。水蒸氣減慢傳熱的速度，使液體在高溫表面的冷卻失效，令液體懸浮，在高熱物體表面四處滾動。
曹教授說：「製冷瓷磚美妙之處是既能符合被動輻射製冷材料高效能的要求，亦同時符合實際應(yīng)用所需。」他補充指出製冷瓷磚可以配上雙層設(shè)計的顏色，達致美觀的效果。
曹教授說：「我們的實驗發(fā)現(xiàn)在屋頂上鋪設(shè)製冷瓷磚，可達致節(jié)省20%以上電力的空間冷卻效果，反映製冷瓷磚極有潛力，減少大眾依賴傳統(tǒng)的主動製冷方式，並能提供可持續(xù)的解決方案，避免電網(wǎng)超出負(fù)荷、減少溫室氣體排放及城市熱島效應(yīng)。」
曹教授表示研究團隊計劃按目前的研發(fā)基礎(chǔ)進一步提升被動熱能管理策略，旨在探索如何應(yīng)用這些策略以提升能源效率、提倡可持續(xù)發(fā)展，並促使紡織、能源系統(tǒng)及交通等行業(yè)更容易接觸及應(yīng)用被動輻射製冷技術(shù)。
