香港城市大學(xué)（城大）團(tuán)隊(duì)最近在研發(fā)被動(dòng)輻射製冷材料方面取得重大突破。團(tuán)隊(duì)新研發(fā)的製冷瓷磚不耗能源及不用製冷劑，便能達(dá)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(diǎn)，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(duì)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(dòng)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(jī)械工程學(xué)系客座教授兼香港理工大學(xué)協(xié)理副校長(zhǎng)（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(dòng)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(duì)社會(huì)對(duì)空間冷凍的迫切需求、減低環(huán)境污染及對(duì)抗全球暖化。然而目前採用的納米光子結(jié)構(gòu)被動(dòng)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(jiān)固耐用。製冷瓷磚的顏色、氣候抗力、機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)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)?！?nbsp;
製冷瓷磚的獨(dú)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(gè)簡(jiǎn)單步驟，並使用容易取得的氧化鋁等非有機(jī)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(dòng)輻射製冷材料的冷凍效果取決於兩種不同波長(zhǎng)範(fàn)圍的光子特質(zhì)：太陽波長(zhǎng)範(fàn)圍（0.25-2.5微米）及中紅外線波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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?，並按米氏散射理論優(yōu)化其多孔結(jié)構(gòu)，可高效消散差不多所有波長(zhǎng)的陽光，達(dá)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(jìn)的材料。
曹教授說：「大部分主要為聚合物光子的被動(dòng)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(dá)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(dòng)輻射製冷材料?！?/p>
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(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合於戶外作長(zhǎng)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(shí)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(dá)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(diǎn)的物件時(shí)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(dòng)。
曹教授說：「製冷瓷磚美妙之處是既能符合被動(dòng)輻射製冷材料高效能的要求，亦同時(shí)符合實(shí)際應(yīng)用所需。」他補(bǔ)充指出製冷瓷磚可以配上雙層設(shè)計(jì)的顏色，達(dá)致美觀的效果。
曹教授說：「我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在屋頂上鋪設(shè)製冷瓷磚，可達(dá)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(dòng)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)?！?br>
曹教授表示研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃按目前的研發(fā)基礎(chǔ)進(jìn)一步提升被動(dòng)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(dòng)輻射製冷技術(shù)。
