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(duì)抗全球暖化
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，成功研發(fā)了一種名為「製冷瓷磚」（cooling ceramic）的物料，可透過(guò)其高效能的光學(xué)特質(zhì)達(dá)致零耗能和無(wú)需製冷劑的製冷，兼具高成本效益、耐用及多功能的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地適合於商業(yè)應(yīng)用，特別是建築業(yè)。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(yáng)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）。
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。
論文通訊作者之一的城大能源及環(huán)境學(xué)院曹之胤教授表示，被動(dòng)輻射製冷被視為最具潛力的環(huán)保製冷技術(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(cǎi)用納米光子結(jié)構(gòu)的被動(dòng)輻射製冷材料，不但成本高，而且兼容性低，難以應(yīng)用，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(yáng)光。
提升光學(xué)特性和應(yīng)用能力
曹教授說(shuō)：「我們研發(fā)的製冷瓷磚便具有高效能的光學(xué)特性，並且應(yīng)用性很強(qiáng)。製冷瓷磚的顏色、耐候性能（即不受氣候影響）、機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固度及抑制『萊頓弗羅斯特效應(yīng)』（Leidenfrost effect，一種阻礙高熱物料傳熱和令其表面液體無(wú)法有效冷卻的現(xiàn)象）的能力，均確保其耐用性及具備多元化應(yīng)用的特質(zhì)。」
製冷瓷磚的獨(dú)有特質(zhì)，源於其作為塊體瓷磚材料，內(nèi)裡具有的階層式多孔結(jié)構(gòu)。其製作過(guò)程只需要採(cǎi)用容易取得的氧化鋁等非有機(jī)材料，然後通過(guò)相轉(zhuǎn)化及燒結(jié)兩個(gè)簡(jiǎn)單步驟，，即可製成；過(guò)程中無(wú)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(yáng)光波長(zhǎng)範(fàn)圍（0.25至2.5微米）及中紅外線波長(zhǎng)範(fàn)圍（8至13微米）。高效冷凍需要具有高反射能力的太陽(yáng)光波長(zhǎng)範(fàn)圍，以減少吸收陽(yáng)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(yáng)熱能。
此外，製冷瓷磚不但模擬了甲殼蟲(chóng)白金龜?shù)纳锇咨瑏K按「米氏散射理論」（Mie scattering）優(yōu)化其多孔結(jié)構(gòu)，令它可高效散射近乎所有波長(zhǎng)的陽(yáng)光，達(dá)致接近完美的99.6%陽(yáng)光反射率（最高紀(jì)錄的反射率），以及達(dá)96.5% 的高水平中紅外線熱能散射率。憑藉上述高效能的光學(xué)特性，令新研發(fā)的製冷瓷磚超越目前的先進(jìn)材料。
曹教授說(shuō)：「以氧化鋁造成的製冷瓷磚，能達(dá)致理想的抗紫外光效果，可減低因紫外光造成的損害，解決了大部分以聚合物光子製成的物料所面對(duì)的問(wèn)題。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。」
製冷瓷磚具卓越耐候性能
除了優(yōu)秀的光學(xué)表現(xiàn)，製冷瓷磚更有極佳的耐候性能、化學(xué)穩(wěn)定度及機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合長(zhǎng)期戶(hù)外應(yīng)用。製冷瓷磚在極高溫下有超親水表現(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)令水滴於表面立即散開(kāi)，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)的物件表面時(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。水蒸氣會(huì)減慢高熱表面的傳熱速度和令其表面液體無(wú)法冷卻，以致液體懸浮，並在高熱物體表面四處滾動(dòng)。
曹教授說(shuō)：「製冷瓷磚美妙之處是既能符合被動(dòng)輻射製冷材料的高效能要求，亦能符合實(shí)際應(yīng)用所需。」他指出，製冷瓷磚另可配上雙層設(shè)計(jì)的顏色，達(dá)致美觀的效果。
曹教授說(shuō)：「我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在屋頂上鋪設(shè)製冷瓷磚，可節(jié)省20%以上用於冷卻空間的電力，反映製冷瓷磚極有潛力，減少大眾依賴(lài)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)。」
曹教授補(bǔ)充，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃按照目前的研發(fā)基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升被動(dòng)熱能管理策略，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)。
除了曹教授，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(kāi)教授，亦是論文的通訊作者。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。