受自然启发的冷却陶瓷先进材料实现了99.6%的太阳光反射率

科学研究人员从大自然的光辉中汲取灵感，寻求针对未解决的挑战开发变革性解决方案。 香港理工大学（理大）协理副校长（研究及创新）兼机械工程系讲座教授王钻凯教授细致探索大自然的奥妙，取得了具有重大实际应用价值的非凡发现 。 他最近发表的关于冷却陶瓷的研究成功地将新发现转化为可持续应用。

他的研究项目“具有高太阳反射率的分层结构被动辐射冷却陶瓷”的研究结果发表在《科学》杂志上。 王教授联同理大副校长（研究及创新）、热能与环境工程系讲座教授及论文合著者赵克里斯托弗教授，与香港城市大学的研究团队合作进行这项创新 。

赵教授和王教授领导的研究团队坚定不移地致力于变革性研究，开发出一种被动辐射冷却陶瓷，可以实现高效的光散射和近乎完美的99.6%的太阳光反射率。 这种被动辐射冷却材料具有良好的耐候性和高机械强度，具有良好的节能潜力，可减少室内环境的冷却需求。

“我们在冷却陶瓷方面的工作体现了向自然学习的力量。它解决了被动辐射冷却方面的重大研究空白，特别是高太阳反射率。从最白甲虫中观察到的生物白度中汲取灵感，研究人员优化了冷却陶瓷的设计 散射系统，导致太阳反射率显着增加。”王教授说。

受甲虫启发的材料可实现 99.6% 的太阳光反射率

这项创新源自 Cyphochilus（已知最白的甲虫）复杂的生物结构。 根据对甲虫鳞片中的散射系统的研究，冷却陶瓷被设计为具有分层多孔结构。 这种受自然启发的系统易于制造，并具有出色的日间制冷性能，从而减少了室内制冷的能耗。

“大自然为我们提供了大量复杂的设计、高效的系统和可持续的解决方案，这些设计、高效的系统和可持续的解决方案已经发展了数百万年。通过仔细研究这些自然现象，我们可以发现可以转化为实际应用的创新想法和原理，”教授说

这种冷却陶瓷也体现了王教授开创性的结构化热铠装（STA），它有潜力在超高固体温度下实现高效水冷却——这是一种未知的特性。 他之前的研究项目“在 1,000°C 以上抑制莱顿弗罗斯特效应以实现持续热冷却”解决了莱顿弗罗斯特效应带来的长期挑战。

当温度超过莱顿弗罗斯特点时，固体和液体之间会形成连续的蒸气层，由于热阻增加而导致传热减少。 王教授的创新 STA 具有在极高温度下实现高效液体冷却的潜力。

首次研究莱顿弗罗斯特效应

在涉及蒸发冷却的应用中，高温下水与表面之间的相互作用是一个关键但经常被忽视的现象。 因此，除了仿生白度和高太阳光反射率之外，莱顿弗罗斯特效应的抑制是这种冷却陶瓷成功开发的一个重要里程碑。

冷却陶瓷表现出超亲水性，使液滴能够立即扩散，并通过其互连的多孔结构促进液滴快速浸渍。 因此，冷却陶瓷在蒸发冷却过程中在高于 800°C 的温度下抑制莱顿弗罗斯特效应。

“冷却陶瓷成功的关键因素之一是其分层多孔结构，类似于 STA 设计中使用的多孔膜。正是这种复杂的结构使陶瓷能够有效地吸入和蒸发液体，从而有效地冷却液体。” 抑制莱顿弗罗斯特效应。”王教授说。

这是首次在被动辐射冷却材料领域研究莱顿弗罗斯特效应。 这一新颖的探索拓宽了被动辐射冷却材料设计的视野，也为STA的开发和应用提供了新的见解。

冷却陶瓷的独创性在于它能够通过简单的制造和操作实现多种功能。 其主要特性包括高耐候性、机械坚固性、抑制莱顿弗罗斯特效应的能力、良好的可回收性及其颜色，有助于其在不同场景和建筑结构中的实际应用。 由于其适合商业化和长期户外应用，它在成本效益、耐用性和多功能性方面也具有优势。

大自然通过新材料、设备和系统激发科学发现并推动有影响力的解决方案的开发。 这也是王教授领导的理大自然科学与工程研究中心的愿景。 该中心被设想为一个充满活力的创新与协作中心，利用大自然的智慧为社会和环境挑战创造变革性的解决方案。

“这项冷却陶瓷研究突破说明了我们方法的实用性和多功能性。冷却陶瓷不仅通过其仿生白甲虫结构展现出卓越的冷却性能，而且还具有自清洁特性、强大的机械强度和 “莱顿弗罗斯特效应抑制。所有这些特性使其为实际应用做好了准备。”王教授说。