不用電也能降溫？新的塑膠膜材料，接觸後溫度下降10°C

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！

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。

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。

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

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：

• Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling, Science, DOI: 10.1126/science.aai7899

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