從將熱量送入太空的超冷材料，到能夠選擇性地抵御熱量的形變材料，科學(xué)家們正在尋找新策略來(lái)給城市降溫。

中國(guó)南京，一棟大廈外墻上裝有上百臺(tái)空調(diào)機(jī)組。版權(quán)：Feng Botao/Visual China Group/Getty

　　是時(shí)候準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)破紀(jì)錄的高溫了。2023年已是有記錄以來(lái)最熱的一年，而2024年甚至更極端——在內(nèi)華達(dá)州、埃及和澳大利亞的一些日子里，氣溫飆升至接近50°C。2024年六月份被記為全球連續(xù)第13個(gè)氣溫創(chuàng)紀(jì)錄的月份。而在七月份，有連續(xù)四天的氣溫是整個(gè)地球有記錄以來(lái)最高的。

　　炙熱的溫度會(huì)引發(fā)水資源短缺，毀壞農(nóng)作物，增加電網(wǎng)負(fù)荷，并引發(fā)熱應(yīng)激和大規(guī)模死亡——據(jù)估計(jì)每年會(huì)導(dǎo)致近50萬(wàn)人死亡[1]。因此，在這個(gè)日漸炎熱的世界里，科學(xué)家們正在努力開(kāi)發(fā)新方法來(lái)給城市降溫，并同時(shí)大幅減少電力使用。進(jìn)展包括高效空調(diào)以及無(wú)需耗電就能使其表面溫度低于周圍環(huán)境的特殊材料。

　　研究制冷

　　大多數(shù)空調(diào)和冰箱通過(guò)壓縮液體來(lái)將室內(nèi)或電器內(nèi)部的熱量轉(zhuǎn)移到外部。但這個(gè)過(guò)程會(huì)排放溫室氣體，并大量消耗能源。根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，全球空調(diào)和電扇消耗了建筑中約20%的電力。該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2050年，全球空調(diào)所用的能源將增長(zhǎng)三倍。

　　考慮到這一點(diǎn)，許多研究人員正在努力減少空調(diào)消耗的能源量。2023年，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種能使這些設(shè)備更加高效工作的技術(shù)，或可作為一個(gè)潛在的解決方案[2]。而且它還有一個(gè)額外的好處，那就是不依賴對(duì)環(huán)境有害的液體冷卻劑。

　　盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所的研究員Emmanuel Defay和他的同事們構(gòu)建了一個(gè)基于“電熱”制冷的設(shè)備。在制冷過(guò)程中，通過(guò)給一個(gè)絕緣陶瓷施加電場(chǎng)，來(lái)改變其中的原子的位置。但由于原子的運(yùn)動(dòng)受到了電場(chǎng)的限制，其振動(dòng)會(huì)增加并轉(zhuǎn)化為熱能，由此提高材料的溫度。這里的熱量由流體帶到了外界。一旦熱量被移除，電場(chǎng)即被關(guān)閉，陶瓷中的原子可以更自由地運(yùn)動(dòng)。這使得其振動(dòng)減少，從而降低了陶瓷的溫度——這一變化就可以用來(lái)冷卻。

　　該設(shè)備是與日本長(zhǎng)岡京市的制造公司村田制作所合作設(shè)計(jì)的，該公司已經(jīng)在為手機(jī)、計(jì)算機(jī)和其它硬件生產(chǎn)此種類型的陶瓷。Defay表示，這將有助于使該技術(shù)規(guī)?；?。但他也提醒說(shuō)，將其投入產(chǎn)品可能需要時(shí)間。他希望他和他的團(tuán)隊(duì)能在五年內(nèi)制造出第一批用于細(xì)分市場(chǎng)的產(chǎn)品，如冷卻電動(dòng)汽車中的電池。然后，也許他們可以在下一個(gè)十年中著手于空調(diào)。

　　改變游戲規(guī)則的材料

　　其它組件——被稱為超冷材料（supercool materials）——可能能夠在沒(méi)有電力的情況下將溫度降低到環(huán)境溫度以下。

　　所有材料都會(huì)反射一部分照射于其上的陽(yáng)光，并且都會(huì)以熱能的形式散發(fā)能量。而超冷材料在這兩方面都有超常表現(xiàn)：它們反射大部分入射的太陽(yáng)輻射并放出大量的熱輻射。這使它們會(huì)比周圍溫度低。

　　“這些材料可能改變游戲規(guī)則?！眮喞Ｄ侵萘⒋髮W(xué)的地理科學(xué)與城市規(guī)劃學(xué)院院長(zhǎng)David Sailor說(shuō)。他不開(kāi)發(fā)這些技術(shù)，但研究能怎么在城市環(huán)境中利用它們。它們不僅可以幫助降溫建筑物——從而減少對(duì)空調(diào)的需求——還可以冷卻室外空氣?！叭绻粋€(gè)表面總是比空氣更涼，那么這個(gè)表面總會(huì)在空氣流過(guò)它時(shí)，從空氣中取出熱量?！盨ailor說(shuō)，“所以它會(huì)主動(dòng)冷卻城市的大氣?！?/p>

　　2014年，加州大學(xué)洛杉磯分校的材料科學(xué)家Aaswath Raman在加州的斯坦福大學(xué)進(jìn)行研究時(shí)，設(shè)計(jì)出了第一種超冷材料。他和同事創(chuàng)造了一種冷卻表面，其在太陽(yáng)輻射峰值的可見(jiàn)波長(zhǎng)上具有高反射率，且在中紅外波段具有發(fā)射性[3]，后者正是關(guān)鍵。大氣層捕獲了地球表面物體以熱量形式發(fā)射出的大部分紅外輻射。但特定波段的紅外輻射，即8-13微米波長(zhǎng)段，可以直接穿過(guò)大氣層并消失于太空中。超冷材料正利用了這個(gè)紅外窗口。

　　Raman的工藝由七層交替的二氧化硅和二氧化鉿層構(gòu)成，在屋頂上安裝后，始終保持著低于環(huán)境空氣5°C的溫度。

　　研究人員在亞利桑那州的一個(gè)停車場(chǎng)上涂上了特殊油漆（左圖，淺色區(qū)域）。

　　紅外圖像顯示該區(qū)域比周圍環(huán)境更為涼爽。版權(quán)：Edwin Ramirez/亞利桑那州立大學(xué)地理科學(xué)與城市規(guī)劃學(xué)院從那時(shí)起，這個(gè)領(lǐng)域爆炸式地發(fā)展了起來(lái)。在實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)制造出了塑料、金屬、油漆甚至木材材質(zhì)的超冷材料。

　　科學(xué)家們還在繼續(xù)推動(dòng)著它們的發(fā)展。2023年7月，中國(guó)四川大學(xué)的研究人員報(bào)告說(shuō)，他們已可通過(guò)將商售三文魚(yú)精子DNA和明膠溶液冷凍干燥，來(lái)制造超冷氣凝膠[4]。在這一氣凝膠置于室外時(shí)，表面溫度可降低至比周圍空氣溫度低最多16°C。

　　中國(guó)鄭州大學(xué)的材料科學(xué)家劉憲虎沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，但對(duì)此感到心潮澎湃——因?yàn)檫@種材料使用的能源更少，并且比其它使用添加劑（如金屬氧化物納米顆粒）的超冷材料產(chǎn)生的污染物也更少。使用生物質(zhì)材料也意味著它是可降解的?！斑@是可持續(xù)性和能源效率的罕有組合?！眲椈⒄f(shuō)。

　　但Raman對(duì)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性有所懷疑。該團(tuán)隊(duì)測(cè)量的空氣溫度比當(dāng)天當(dāng)?shù)氐臍庀笳緢?bào)告的溫度高出了20-30°C?！八麄兊臏囟葌鞲衅骺赡鼙┞对陉?yáng)光下被加熱了。”Raman表示。

　　不過(guò)，研究的主要研究員馬健文說(shuō)，他和團(tuán)隊(duì)測(cè)量的是一個(gè)封閉冷卻測(cè)試箱內(nèi)的空氣溫度，不是外部的大氣溫度[4]?！叭缃窭鋮s測(cè)試的方法一直有所爭(zhēng)論。”他說(shuō)，“輻射冷卻的特性依舊復(fù)雜且不完美，我們希望將來(lái)會(huì)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

　　涼爽的表面

　　在他自己的研究中，Raman已經(jīng)從超冷材料轉(zhuǎn)向了被稱為冷卻材料（cool materials）的類別，這類材料通常被設(shè)計(jì)成反射大部分入射的太陽(yáng)輻射，但不一定會(huì)被設(shè)計(jì)為放出大部分熱輻射。

　　“你不需要在紅外波段做這種花哨的事情，你只要讓它真正反射太陽(yáng)光?！彼f(shuō)，因?yàn)橹灰瓷湫宰銐驈?qiáng)，大多數(shù)材料仍然會(huì)在全紅外波段上發(fā)射熱量，并達(dá)到略低于周圍空氣的溫度。

　　Raman還在研究另一種應(yīng)用于垂直表面（如建筑物立面）的材料。實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用難度很大，因?yàn)榱⒚婕瘸蛱炜沼殖虻孛妫运鼈儠?huì)在夏天吸收地面的熱量，又在冬天散失熱量給地面。

　　Raman的團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)可能的解決方案。2023年6月，研究人員報(bào)告了一種物理機(jī)制，它依賴于一種特殊材料來(lái)根據(jù)季節(jié)冷卻或加熱墻壁[5]。在夏季，該涂層選擇性地向天空散熱，且從地面吸收的熱量遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)墻壁。而在冬天，它向地面失去的熱量比傳統(tǒng)墻壁要少。此外，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)許多低成本材料具有這種獨(dú)特的特性——包括用于薯片或炸薯?xiàng)l的聚丙烯袋。他表示，這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)造福于沒(méi)有空調(diào)的地方，并且可以改善熱舒適度甚至改善人類健康。

　　“我不想讓人們加深‘這還遠(yuǎn)得很’之類的觀念，特別是在建筑師和工程師中?！盧aman說(shuō)，“我希望他們意識(shí)到，我們現(xiàn)在就可以做很多事情?！?/p>

　　其他研究人員也在致力于這個(gè)問(wèn)題。紐約哥倫比亞大學(xué)的材料科學(xué)家楊遠(yuǎn)和同事近期發(fā)表了一份報(bào)告，描述了他們將超冷油漆應(yīng)用于波紋墻的工作——但只應(yīng)用于波浪狀圖案朝向天空的一側(cè)。然后，團(tuán)隊(duì)在朝向地面的一側(cè)應(yīng)用了一種吸收熱量低的金屬[6]，確保該側(cè)不會(huì)吸收過(guò)多的熱量。墻面的表面溫度比周圍空氣低了2-3°C。該團(tuán)隊(duì)目前正在尋找經(jīng)費(fèi)支持進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。

　　另一些技術(shù)試圖從地面開(kāi)始為城市降溫。2023年9月，Sailor領(lǐng)導(dǎo)亞利桑那州立大學(xué)坦佩校區(qū)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，與一家管理大型購(gòu)物中心的美國(guó)公司合作，涂裝并測(cè)試了一種反射性的“涼爽路面”。這種高反射涂層只是一種基于瀝青的較淺色的密封劑，可以用來(lái)替代傳統(tǒng)深色涂層，后者約每五年應(yīng)用一次以作表面維護(hù)。作為測(cè)試，淺色密封劑被應(yīng)用于購(gòu)物中心停車場(chǎng)的近6000平方米區(qū)域，周圍區(qū)域則涂以傳統(tǒng)的深色密封劑，使Sailor和團(tuán)隊(duì)能做比較。

　　效果涇渭分明。Sailor表示，在下午早些時(shí)候，涼爽路面的地表溫度比停車場(chǎng)的其它部分低近8°C，其上方的空氣溫度低0.8°C。但這一發(fā)現(xiàn)尚未發(fā)表。

　　盡管0.8°C可能看上去不太明顯，但Sailor認(rèn)為，如果能使亞利桑那州鳳凰城的整個(gè)城市降溫0.6°C，那將能減少能源消耗和水的使用，甚至能改善人類健康狀況。Sailor估計(jì)，僅空調(diào)使用的下降就可以節(jié)省約2000萬(wàn)美元。

　　形變材料

　　澳大利亞墨爾本大學(xué)的工程師Mohammad Taha和團(tuán)隊(duì)正在采取不同的方法來(lái)給家里和房屋降溫。2023年初，該團(tuán)隊(duì)描述了一種“相變墨水”，由根據(jù)溫度改變相位的懸浮納米顆粒組成，會(huì)從低溫下的超導(dǎo)體變?yōu)楦邷囟认碌慕饘賉7]。

　　這一能力使材料可以根據(jù)外部溫度保持涼暖。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)材料加熱并變成金屬時(shí)，它具有了可以反射額外熱量的線性結(jié)構(gòu)。當(dāng)它冷卻并變成超導(dǎo)體時(shí)，材料轉(zhuǎn)變?yōu)榱嗽试S熱量進(jìn)入的絕緣曲折結(jié)構(gòu)。

　　將來(lái)，Taha希望將這種墨水用作窗戶涂層?！叭粢唇ㄖ镌跓釗p失方面的最弱環(huán)節(jié)，那就是窗戶?！彼麄冋f(shuō)，“一個(gè)完全由玻璃組成的建筑物在炎熱的日子里感覺(jué)就像個(gè)溫室。”如果Taha團(tuán)隊(duì)將來(lái)能夠有效應(yīng)用這種材料，情況可能會(huì)改變。而且研究人員還可以根據(jù)季節(jié)設(shè)計(jì)不同的涂層——分層排布，保持建筑物冬暖夏涼。

　　從實(shí)驗(yàn)室到城市

　　目前尚不清楚這些降溫技術(shù)中哪些可能在未來(lái)產(chǎn)生重大影響。許多技術(shù)還沒(méi)有離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，其它一些也只應(yīng)用于了小規(guī)模的項(xiàng)目。出于這個(gè)原因，Sailor認(rèn)為研究人員在推進(jìn)之前需要審慎評(píng)估所有新材料。“這對(duì)我們科學(xué)界很重要，而我也將評(píng)估這些技術(shù)視為我的職責(zé)之一：不僅要關(guān)注它們的優(yōu)勢(shì)，也要重視其缺點(diǎn)?！彼f(shuō)。

　　例如，涼爽路面有一個(gè)潛在的缺點(diǎn)，它向上反射輻射。當(dāng)太陽(yáng)高懸天空時(shí)，走在路面上的人會(huì)同時(shí)感受到來(lái)自上方的陽(yáng)光和下方的反射輻射。他說(shuō)這種涂層可能不太合適用在操場(chǎng)等環(huán)境，因?yàn)槿藗兛赡軙?huì)在白天中午時(shí)段長(zhǎng)時(shí)間停留。一個(gè)比較好的選項(xiàng)是用于街上的人行橫道，他說(shuō)，因?yàn)槿藗冎粫?huì)在那里走上幾秒鐘。

　　再有的問(wèn)題是超冷材料在各種氣候中的工作效果如何。比如說(shuō)，如果是多云或潮濕氣候，這些材料就可能效果不佳——因?yàn)樗魵鈺?huì)捕獲紅外輻射，阻止其散入太空[8]。然而，Raman認(rèn)為超冷材料在這些氣候中仍然可以表現(xiàn)良好。他表示，就算它們不能充分降溫空氣，但也不會(huì)加熱空氣[9]。

　　另一個(gè)未知數(shù)是消費(fèi)者是否會(huì)接受這個(gè)想法。即使是用更淺色的、反射性的屋頂替換舊屋頂這樣簡(jiǎn)單的措施也沒(méi)有被廣泛采用。工作需要，Sailor經(jīng)常帶著紅外相機(jī)乘直升機(jī)在鳳凰城上空飛來(lái)飛去，他總是對(duì)深色屋頂?shù)臄?shù)量感到驚訝——盡管更涼爽、更淺色的屋頂多有益處。

　　盡管如此，一些城市正在測(cè)試和部署各種緩解技術(shù)。例如，洛杉磯一直在鋪設(shè)涼爽路面，目標(biāo)在2045年前將本地的涼爽表面增加30%。

　　澳大利亞新南威爾士大學(xué)的物理學(xué)家Mattheos Santamouris和團(tuán)隊(duì)在世界各地的300多個(gè)大型緩解項(xiàng)目中應(yīng)用了類似的材料。24年1月，他的團(tuán)隊(duì)詳細(xì)描述了一種多方位策略，將利雅得的氣溫降低多達(dá)4.5°C[10]。“這真是緩解項(xiàng)目之冠?！盨antamouris說(shuō)。利雅得已經(jīng)開(kāi)始采用的推薦方法包括用冷卻材料和超冷材料改造建筑物，并將灌溉樹(shù)木的數(shù)量增加一倍。

　　盡管這種方法包括一整套解決方案，但經(jīng)Santamouris團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，增加超冷材料的影響最大。Santamouris說(shuō)，這些材料的“市場(chǎng)正在迅速增長(zhǎng)”，“世界上有越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)商。我認(rèn)為這是未來(lái)。”