虽已立冬，但一想到炎炎夏日，人们还是渴望休息在凉爽宜人的空调房中，以逃离酷暑的侵扰。而空调等制冷设备需要耗费大量能源。如果能探索出无需能源消耗的有效制冷方案，无疑将大大减缓温室气体的排放。近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜研究员团队就研制出一种角度非对称光谱选择性热发射器，即AS发射器。AS发射器不仅具备高效反射太阳光的能力，而且能够巧妙地减少吸收来自大气和高温地面的热辐射，从而实现低于环境温度的制冷效果。
AS发射器件的设计
该研究从太阳反射率、大气透明窗口内的光谱选择性、热辐射角度非对称特性协同设计，以热力学、互易性、波导以及声子激化共振等理论为基础，利用跨尺度对称破缺结构，实现了热辐射在空间角度上的非对称分布以及在光谱上的选择性调控，进而设计出具有跨尺度对称破缺性、角度非对称光谱选择性的定向发射器件，实现了竖直表面的日间亚环境辐射制冷。
全向宽带发射器件和角度非对称光谱选择性发射器件在竖直表面的辐射换热过程
具体来说，研究人员设计出打破镜面对称性的锯齿光栅结构，其倾斜表面最外侧的Ag层可有效抑制地面发射的热辐射，而其横向表面上的SiN层可向天空发射光谱选择性热辐射，从而提供角度非对称的热辐射特性，实现无需能源消耗的有效制冷。为了验证AS发射器的全天候辐射制冷性能，该研究在晴朗的夏日进行了24小时连续的室外温度测量，验证了AS发射器的全天候辐射制冷性能。一整天里，AS发射器的表面温度始终低于环境温度。即使在炎热的正午，AS发射器仍然保持约2.5°C的亚环境辐射制冷性能，且相较于常规高性能辐射制冷器件和商用白漆分别低4.3℃和8.9℃。此外，该研究还表明AS发射器在任意朝向下始终保持着亚环境辐射制冷性能。
户外辐射制冷性能测试
该研究不仅攻克了竖直表面的日间亚环境辐射制冷，对辐射制冷的实际应用、节能减排具有重大意义，而且突破了热辐射角度、光谱的跨波段协同调控能力，展现了高自由度的热光子学操控能力，为新型的高效冷却、加热、能量传输以及在空间光学系统中的高精度热控等提供了新机遇。该研究成果已于近日在国际学术期刊Science(《科学》)上发布。
