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不用電也能降溫?新的塑膠膜材料,接觸後溫度下降10°C

florinn
・2017/08/25 ・2427字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

夏天不開冷氣,真的會熱到讓人崩潰,但是打開冷氣,電力負載又會大幅提高,或是可能讓電廠跳電。那有沒有什麼方法可以不耗電,又讓人覺得一切都是那麼涼爽舒適?有的!科學家今年二月發明了超強大又超便宜的塑膠,可以讓任何接觸到這種塑膠的物體降溫至多10度!

圖/Science

讓熱輻射不被空氣吸收,散熱直接散到太空去!

世界上所有有溫度的物體都會輻射出電磁波,也都會吸收電磁波,從我們生活中的各種家具、房子甚至人體也都是如此。如果某個物體輻射出了電磁波,那它的溫度就會降下來,而如果它吸收了電磁波,那就表示那個電磁波的能量,使得物體的溫度上升了。

所以,你覺得很熱,絕對不只是夏天的問題,你也有一部分的責任(誤),人體會一直輻射出近紅外線,而輻射出來的近紅外線會被人體附近的空氣吸收,吸收了這些能量後,空氣就會被加熱,所以當我們走進人多的空間,一股熱氣襲來,就是因為我們感覺到了那些「被加熱」的空氣。

因為空氣會吸收近紅外線的緣故,地球輻射出來的能量就會不斷的被空氣吸收,再輻射釋放出來,再被吸收,再被釋放出來……,如此循環下去,使得能量不太容易散出去,而這也是溫室效應保持地球溫度恆定的原理。

研究人員想到,如果可以讓物體輻射出的電磁波,不會被大氣吸收的話,那輻射出來的電磁波就能順利穿透大氣層,消散在外太空,能量就不會被鎖在大氣中,尤其是物體附近的空氣。而隨著時間的推移,輻射出越多的能量,物體的溫度就會慢慢降低。

各種不同波長的電磁波穿透大氣層的程度,縱軸穿透率(單位%),橫軸波長(單位微米),8-13 微米的區域稱為「大氣窗」,研究人員新發明的塑膠,會發出波長約3-20微米紅外線,而獲得降溫的效果。圖/Wikimedia Commons

近年來,研究人員利用這個被稱為「被動冷卻」的概念,試圖設計出一種盡可能不吸收可見光,但卻持續輻射出中、長紅外線的材料。2014年,史丹佛大學電機工程教授范善輝(音譯,Shanhui Fan)的團隊,使用半導體製程的鍍膜技術,創造出一種含有二氧化矽(玻璃)和二氧化鉿(Hafnium dioxide)的薄膜。當時他們發明的薄膜可以反射幾乎所有的光,而且能同時輻射出很多中紅外線,使得他們的薄膜產品可以將接觸物品的表面冷卻多達5℃。不過他們的發明得要使用無塵室來製作,所以成本超高,無法大規模量產。

塑料薄膜中的玻璃球強烈地輻射出紅外光,下方是薄膜接觸的冷卻對象。圖/原始文獻

當科羅拉多大學的材料科學家尹曉波(音譯,Xiaobo Yin)看到這個發明的論文時,他注意到范善輝團隊的設計是讓紅外線能在薄膜內部來回跳動,最終輻射出更多紅外線,這就像吉他的音箱一樣,聲波在裡面不斷反彈共振,而讓吉他的樂音變得更大聲。尹曉波的團隊計算出,如果在薄膜內放入直徑大約 8 微米(比紅血球稍大)的玻璃珠的話,能讓中紅外線輻射量大增。

他們的製作方式是,將玻璃粉與一種透明塑料原料(聚甲基戊烯, TPX)混合,然後把它們製成 300 毫米寬的薄膜,並且在其中一面塗銀,讓它具有像鏡子一樣的反射效果。如果把這個薄膜攤開來,底層的銀幾乎可以反射所有的可見光,所以就算在大太陽下曬,也不太會吸收能量。同時,薄膜也會吸收它所接觸的物體的熱量,並以中紅外線將能量輻射出去,所以這些熱能完全不會被空氣吸收,能一直傳到外太空而消散。

散熱塑膠薄膜,低成本又不耗電

圖/Glenn Asakawa, University of Colorado Boulder

這項發明其實能以現行製造薄膜型電子元件的方式製造(Roll-to-Roll精密捲繞對位技術),如果以這種標準化的製造流程生產,每平方公尺最多花台幣 15 元而已,成本相當低廉。

而在實際測試中,薄膜在中午的陽光曝曬下的輻射冷卻功率達到 93 W/m2,大致等於面積相當的太陽能電池產生的電力,入夜之後輻射冷卻功率還會更高,也就是說這種新式塑膠薄膜完全可以不分晝夜持續輻射降溫。根據他們的研究報告,最多能使鋪上這層塑膠薄膜的物體冷卻多達10°C,研究人員推估只要在屋頂上鋪上約 10-20 平方公尺的這種材料的話,就算是三十幾度的夏天高溫,也能讓房子維持在舒適的二十多度附近(台北的熱島效應根本不是對手了哇哈哈)。

如果想要調節降溫的程度,只需要將這種塑膠薄膜貼附在冷卻系統的水管上,再利用水將室內的熱能傳到降溫系統,調節水管中的水量,就能讓室溫穩定維持在不同溫度。雖然調節水量還是要用電,但比起現行冷卻室內空間的方式,可以剩下非常多的電力。

尹曉波教授和他的團隊已經開始嘗試應用這項發明,來降低建築物和其他大型結構的冷卻水,這在發電廠尤其有用。他也補充說,就算沒有銀塗層,塑料薄膜貼附在太陽能電池上,也可以降低太陽能板的溫度,而提高發電效率約 1-2%,也減少過熱而消耗太陽能板使用壽命的情況。

研究人員表示:「這個塑膠薄膜的優勢是全天候不用電或消耗水,我們很高興有機會能探索電業、航空航太與農業等領域的潛在用途。」

 

原始文獻:

資料來源:

  1. Cheap plastic film cools whatever it touches up to 10°C – Science
  2. New engineered material can cool roofs, structures with zero energy consumption – ScienceDaily
  3. How to keep cool without costing the Earth – The Economist

 

延伸閱讀:

  1. 承認吧,其實你根本沒想到要省電? – PanSci
  2. 熱死了!冷氣怎麼開最舒服省電? – PanSci

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florinn
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曾任泛科學實習編輯,是個從學術象牙塔逃離的化學系、化學所學生。比起做實驗,更喜歡分享科學故事、聽科學趣聞,寫科普文的目的就是希望能和大家一起領略科學的力與美。


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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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