如何評價新聞報道「美國科羅拉多大學一張薄膜能將室溫狂降 17℃」？

01-14

我是學物理的，不是學材料的，物理上，這文章沒問題。
首先澄清一個概念，製冷(refrigeration)和冷卻(cooling)是兩個概念，製冷是把熱量從低溫轉移到高溫物體，需要藉助其他過程，如空調，冷卻是正好反過來，把熱東西放到冷環境下就是冷卻，是一個自然過程。這篇Science上的文章原文全文使用的詞都是「cooling」，結果報道就成了「製冷」？？WTF？？人家想好好做學問，你們盡想著搞事情，浮躁，膚淺！！！！！！

總之，用人話講，這個薄膜差不多就是一個可以透過紅外線的白紙，所以阻止了室內的物體吸收太陽光譜中最強的可見光，而室內的熱量依然可以通過紅外輻射來與外界交換，完全不違反熱力學第二定律。至於37°C和20°C的室內外溫度？原文沒提。（9/24修正：感謝評論區指正，學物理的我還是習慣了真空中的球形雞，居然把大氣都當紅外波段的理想黑體去估計了，所以一直以為大氣和薄膜內部應該最終熱平衡，怎麼可以產生那麼大的溫差。事實上，論文中的紅外波段是屬於「大氣窗口」，大氣對這一波段幾乎是透明的）
當然這個東西屬於cool roofs，前景還是不錯的，就是沒媒體吹的空調下崗那麼牛逼而已。
PS：我是從我媽那知道這報道的o(╯□╰)o，本來想偷懶看看有沒有誰科普下的，結果一看，還沒人回答，只好自力更生一波了

先上結論：該薄膜確實能夠降低室溫，但是文章中並沒有說可以降低17℃，這應該是報道者為了吸引眼球取了個這樣的標題。
1、輻射降溫（製冷，冷卻）：
這個工作主要是利用輻射降溫。輻射降溫在實際生活中非常常見。
比如，晚上天氣會比較涼，這是因為晚上沒有陽光的輻射，但是地球本身還在朝太空輻射散熱，所以輸出大於輸入，就降溫了。
再比如，為什麼沙漠晚上特別冷，這是因為：一方面，沙漠上雲層很薄，保溫效果比較差；另一方面，沙子的主要成分是氧化硅（也就是Science文中其主要作用的材料），是很好的輻射散熱材料。
再比如，月球沒有被太陽曬到的一面，特別冷，可低至-183度，這也是因為沒有太陽照射時，月球會向太空輻射熱量，而宇宙背景溫度為2.73k（約-273度），所以要想達到熱平衡，月球的溫度要接近-273度。

再比如，人體也部分通過輻射降溫，熱成像就是根據這個原理設計的。
2、原理：
考慮一個放在室外爆嗮的物體，它既會輻射熱量，也會吸收陽光和大氣輻射升溫，還會受到熱對流和熱傳導的影響，所以如果要讓物體降溫，就必須提高其熱輻射效率，降低其對陽光的吸收。
有意思的是，大氣層剛好在紅外有一個窗口（波長為8-13微米），這些紅外線可以直接穿過大氣層輻射到太空去。
我們知道，太空的溫度約為2.725K，（宇宙背景輻射就跟這個溫度直接相關），所以太空就像一個低溫水池，通過大氣窗口，我們就可以把地球上不需要的熱量輻射到太空去。
跟空調製冷的區別：空調的降溫主要是壓縮氟利昂產生冷氣，冷氣再跟屋內的空氣通過熱對流和熱傳導實現降溫。而在這篇Science中，主要的方法是熱輻射。它的熱通過熱輻射轉移到了太空。
跟空調製冷的相同處：但是輻射降溫實際上是因為太空很冷！我覺得兩者方法上雖然不同，但是本質上是一樣的：把高溫物體的熱轉移的低溫物體上。如果你明白這一點就知道這種方法的精妙之處。
3、如何做到這一點？
這就需要構造一種材料，可以提高物體的熱輻射效率，並且降低物體對陽光的吸收。
物理上，通常一個良好的電磁波吸收物體，也是一個良好的電磁波輻射物體。這裡的電磁波輻射是由於黑體輻射效應導致的。

所以，總的來說，實際上是設計一種濾波器，它在紅外頻段能夠有較高的吸收率，在光頻段能夠有較高的反射率。這正是超材料擅長的地方。
圖1、超材料結構示意圖。
所以在Science這篇文章中，作者構建了一種超材料，這種材料是由在高分子聚合物中添加一些直徑約為8微米的氧化硅（即玻璃）納米顆粒。
圖2、該超材料在8-13微米處有很高的輻射效率。
可以看到這種超材料在紅外頻段（8-13微米）處有較高的輻射（吸收）效率。

圖3、超材料樣品圖。
當然這種薄膜如果要降溫需要在背後鍍一層銀薄膜，這樣才能反射可見光。所以在實際使用中，需要在後面再鍍一層銀薄膜。
圖4、在該薄膜上鍍一層銀薄膜，太陽光基本被反射，但是該材料仍然可以通過紅外輻射實現降溫。
4、降溫效果
從測量效果看，該超材料在正午太陽直射的時候，其降溫功率為93瓦每平方米，應該說非常高，可以大幅度降低房屋降溫消耗的能源。但降溫效果可能沒有新聞中提到的狂降17度那麼誇張。
5、優點及存在的挑戰
優點：實際上輻射降溫的方法早在2014年就已經被斯坦福大學的Shanhui Fan組提出，所以在原理上，該science文章並沒有太多的創新之處。其創新點在於，他們的方法可以很容易大規模生產，價格相對便宜，並且製作難度相對以前大幅度降低，這為輻射降溫方法走向市場奠定了基礎。

存在的挑戰：其使用性任然有局限性，這種材料需要保持其乾淨，如果薄膜上有灰塵或者露珠雨水，其降溫效果可能會大大的降低。
參考文獻：
Zhai Y, Ma Y, David SN, Zhao D, Lou R, Tan G, Yang R, Yin X. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling. Science. 2017 Mar 10;355(6329):1062-6.
Raman AP, Anoma MA, Zhu L, Rephaeli E, Fan S. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature. 2014 Nov 27;515(7528):540-4.

三月份這篇文章剛出的時候，老闆就指示要follow一下，相同的原理但是不同的應用領域。
1、先回答問題，說說降溫效果
先說結論，17℃室溫以下的溫降肯定是噱頭，這篇Science paper 在正文中根本沒有採用監測溫降的試驗方法，而是給這個超材料供熱保持材料溫度不變，這樣做一是可以排除掉對流和傳導的影響後，二是可以知道供熱量就是輻射功率，因為熱量只能通過輻射散掉。目前實驗結果基本都是出於100W/m2左右。這篇paper只在supplementary material 裡面給出了溫度對水冷卻2個小時（無陽光直射，時間為早上3點到5點）後，水溫下降了約為8℃。

另外兩個類似的研究來自Stanford和加州理工的兩個課題組。2014年的那篇nature paper，Prof. Fan Shanhui 組採用HfO2 和 SiO2 多層納米結構，白天可以冷卻下降到室溫以下約5℃（中午太陽直射條件）。最近這個組在 nature energy 又發了一篇，看了摘要，也是大約5℃。
另外一個加州理工Prof. Austin J. Minnich組最好效果是8.2℃（中午太陽直射條件），8.4℃（晚上）。
這個膜可以將原本放在室外溫度很高的物體降低幾十度，但是並不能降低到室溫下十幾度。也就是說，假設物體在太陽底下是60℃，空氣溫度是30℃，膜覆蓋上去可以降低到40℃，30℃甚至25℃都有可能，但是並不能降低到20℃。
2、再說說原理
越是牛逼的東西，原理就越簡單。
這個實驗需要兩個要素：

a. 0.3um~3um，高反射率，在可見光區域內儘可能多的反射太陽能，一般用Ag，稱為反射層，放在底部；
b. 8um~13um，高吸收率（發射率），在紅外區域輻射儘可能多的熱量到外太空。輻射層，該層對可見光透明，但是對紅外全吸收（發射）。
a 很好理解。我們不要太陽能，來的統統反射回去，愛去哪去哪。b 呢，之所以要在8um~13um有高發射率，有兩個原因，第一，根據維恩位移定律，處於常溫300K的黑體發射最大波長約為9.65um，正好處於8um~13um之間（虛線為300K常溫物體輻射光譜）。對於太陽來說，溫度5800K, 這個波長是0.5um，參看下圖紫色為太陽5800K輻射光譜。第二，碰巧的是，8um~13um對於大氣層來說是透明的，所以 8um~13um這個「窗口」也叫 atmospheric transparency window。大氣中的N2，H2O，CO2 對這個波段的光不吸收，也就是說這個頻段的波可以直接輻射到外太空去，而外太空的溫度約為3K，這是一個極大的輻射溫差。
b=2.8977721e–3 m K.
聰明的你可能要問，那3um~8um和13um~25um如果具有高發射率是不是也有cooling效果啊？答案是對的。原因是啥呢？因為TM實驗已經驗證了！其實是因為3um~8um和13um~25um這部分雖然輻射不到外太空，但是可以輻射到大氣層，而大氣層的溫度是略低於地球表面溫度的。所以可以貢獻少部分的cooling效果。理想的特點就是下圖這樣的。理論上 ideal emitter 2 的效果要略好一些。

通俗的講，這玩意就是個鏡子，他媽一毛一樣，連材料成分都一樣。聰明的你可能注意到了這些paper裡面都用到了一種材料，那就是SiO2，不管是 Science 裡面的 8um SiO2 顆粒，還是 nature 裡面的多層 SiO2 納米層，還是其他paper裡面的500納米的 silica （SiO2），其實都是不同形式的SiO2。為啥呢，因為SiO2光譜發射率基本就是ideal emitter 2的樣子。採用不同的形式的SiO2，加PDMS，只是在儘可能的做更高的提升。但其實只用SiO2 和 Ag 就足夠達到非常接近的效果。
我們平常的用的鏡子就是玻璃加Ag。看看下面這個圖，加州理工這哥們就是用silica （SiO2）下面鍍了120nm Ag，上面覆了一層 PDMS做的實驗，上面這個PDMS 僅僅是提高了一點點微不足道的性能，基本你可以忽略。
現在，我教你怎麼發Science，你去找塊玻璃（主要成分是SiO2的石英玻璃），背面鍍上一層銀（幾百nm），然後這就是個鏡子。然後你放到太陽底下監測下表面的溫度，然後你就發現，握草，好屌，老子竟然重複了Science 的結果，我他媽真是個天才。
開個玩笑，你要是真是這樣做，多半你是得不到什麼溫度降低的。你可能要問為什麼你的裝置不能降低溫度了，因為老子試過，也沒有，哈哈哈
因為啥呢？親愛的你，有沒有想過為啥咱這個表面這麼牛逼，為啥不考慮其他物體表面對它的輻射呢？
現在老子要揭示終極謎底了。咳咳
本實驗成功的關鍵要素是，那就是本實驗必須要求儘可能增大輻射表面對整個天空的角係數，減少其他物體表面對該表面的輻射量。

通俗的講，把你的鏡子放在你視野內最高的地方，面向天空，在立體半平面內盡量不要有任何遮擋。這樣子該表面只與外太空~3K的冷端進行輻射換熱，可以達到最好的效果。看看paper裡面，他們的實驗都是在房頂上做的。
這就是那段時間，我總是45度的仰望天空，尋找著哪裡有這麼一塊可愛的地方。
3、總結一下
這個東西是目前的一個小熱門，有很多吸引人的地方，但是有很多局限性。
優點是，不需要任何能量輸入，光著一條就夠興奮的了。
缺點呢，貴，Ag的反射率最好，但是很貴啊，金屬一般反射率都很好，比如Al，但是換成Al 效果還是和Ag差很多（2014，nature paper 證實），其他的非金屬材料那就更別提了。輻射材料倒是好說，SiO2 不貴。還有呢，那就是要朝天放！否則效果大打折扣。天氣因素影響也很大，濕度大的時候，有雲的時候，會大大降低冷卻效果。如果要工業化呢，可以實現一定的冷卻效果，但是應該達不到paper裡面冷卻到室溫下8℃ 的效果，應用條件太苛刻了。
參考文獻
Zhai, Yao, et al. "Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling." Science 355.6329 (2017): 1062-1066.
Raman, Aaswath P., et al. "Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight." Nature 515.7528 (2014): 540-544.
Kou, Jun-long, et al. "Daytime radiative cooling using near-black infrared emitters." ACS Photonics 4.3 (2017): 626-630.
Goldstein, Eli A., Aaswath P. Raman, and Shanhui Fan. "Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the sky." Nature Energy 2.9 (2017): 17143.
Huang, Zhifeng, and Xiulin Ruan. "Nanoparticle embedded double-layer coating for daytime radiative cooling." International Journal of Heat and Mass Transfer 104 (2017): 890-896.

突然想起了這個

我就想知道晚上熱怎麼辦

看起來這個東西很牛逼啊。
原理上講，這種東西應該行的通，但不知道產品化做的如何。
從傳熱學角度看，這就是一種高發射率，低吸收比的表面物質。航天應用中有一種塗層，發射率大概到0.85，吸收比約0.2，這種圖層也只是在外太空中對紅外輻射能到這個水平，價格是一平米八萬。這麼看下來老外搞的這個東西如果每平米能在3萬美金以內應該市場前景大大滴。
從工程熱物理角度看，有溫差就能產生可用的能量。這個膜可以做成以外太空為冷源，地球環境為熱源的熱循環，簡直是可以把讓地球變暖的廢熱轉化為人類可用的能量！光想著建築冷卻簡直是目光短淺。
當然，現階段這只是瞎開腦洞，但如果成本和應用能夠成熟，這種技術真的可以帶起一次能源革命的。

都說美國金融發達，我覺得欠考慮
這個膜如果能發這樣一篇文章，到中國來拉投資，千億都可能拉到。

大概看了下描述，應該只是個反射膜……只能讓通過陽光透過的紅外線少點，少點熱量，並不能製冷，理論上反射更好了，類似東西應該早就有了好多吧。最早汽車貼的鏡面反射膜，也許性能比low-e膜好點，這就這樣了。我覺得目前還是爬山虎隔熱最靠譜，葡萄也不錯

先說結論，文章的數據里，只有在SI里一個冷卻水的實驗，在覆蓋薄膜後，大概水能比室溫低8度左右，而且是凌晨的時候，不是白天測得的數據。
我是學化學的，剛好上學期文獻彙報講到過這篇文獻。相比於中文的新聞，scicene官網上這個新聞更靠譜一些。 Cheap plastic film cools whatever it touches up to 10°C
大學物理講過，熱交換的方式有三種：
熱傳導，比如加熱的鐵板；
熱對流，比如熱水和冷水混合；
熱輻射，比如鑄造鋼鐵在高溫時發黃光，人體的紅外發射。
作者就是利用熱輻射來把物體的能量傳遞出去。
這篇文章的關鍵點在於怎麼讓材料的熱輻射的波段集中在8-13 um（這是atmospheric transmission window），並且輻射係數儘可能大。
這個idea早在2014年的另一篇nature 就實現過了。作者是使用層層結構的半導體來實現這個目的的。
通過光子在層間躍遷形成一個強的紅外發射體（IR emitter），這種passive cooling 的效果大概有5度。但是貴。
題中的nature用的材料是直徑8um （這個尺寸非常重要）的SiO2微球和TPX混合的複合高分子薄膜。（為什麼用TPX，不用更大產量的PE或者PMMA？因為TPX不吸收可見光，這樣在日照下溫度會更低一些）。薄膜里的SiO2 球就像是個共振體（chamber resonance chamber), 讓這個薄膜能強烈地輻射紅外線，輻射係數大於0.93。關鍵這個材料還便宜。
作者測了下效果，這種薄膜在三天的平均散熱大概大於110 W/m2，即使是白天，也能達到93 W/m2。是不是對這個數據沒什麼概念。
看下面一個更說明具體效果的實驗。這在paper的supprting information 里。
A圖是裝置圖，B圖是各個位置的溫度隨時間變化，C圖是熱量傳遞圖。作者是在2016年9月15號早上三點做的這個實驗，還有點冷。哈哈。
從B圖標出的兩條線看，大概能夠冷卻水比室溫低8度左右。
總結來說，這種材料的確是有加強冷卻的效果的。但是說在室溫37度的房子上，貼了這個膜之後，就能夠降到20度的說法，我認為完全是胡扯。至於實際效果怎樣，等作者們工業應用了再看吧，畢竟paper和product還是有一定距離的。

我沒有讀原文章，不過這些年科技上的大新聞幾乎都是忽悠。邏輯很簡單，如果某人真的掌握了一門可以把鐵變成金子的技術，而且重複率高，實驗材料便宜，流程簡單，輕而易舉就能工業化操作。那麼只要這個人的腦袋沒有毛病，他肯定是從大學辭職，然後賣掉自己的房子，先建個小作坊，然後用造出來的金子再擴大生產。等到人家資產過億了，大家可能才發現原來世界上有了多塊好省得鍊金術！
凡是要搞個大新聞的科技成果大都是有硬傷的。硬傷無非如下幾點：
1.生產成本太高
2.生產工藝太複雜
3.實驗結果不穩定
4.毒副作用明顯
翻譯成人話就是，沒法變成工業產品。由於科研界競爭劇烈，一個成果要是不趕快發表可能幾個月後就被別人搶先了，所以大多數科研成果都是半成品。也就是先造出勢來，然後忽悠來經費再把那些硬傷補足。當然能補足是最好的，其實很多是根本填不上的。
這種東西有點兒像現在的網路小說，大家對新奇情節的嗜好導致寫手不惜一切代價地挖坑，最後小說完結能填上個七八成的坑就算是很不錯了。
至於這個薄膜，我看了一個報道指出了其一個硬傷，也就是要保證薄膜平面非常乾淨才能有效，一旦落上灰，似乎就不管用了。然後我腦補了一下每周爬到屋頂去擦薄膜的情況，覺得這東西民用的空間真的很有限。樓上有個牛人，讀了原文章，也提出了生產成本的問題。
總之，這些硬傷估計是沒法克服，真的能克服，恐怕早就偷偷的創業了。現在的科研真的好無奈，一群人挖空心思地編故事。關鍵的在於，大部分人明確地知道自己的東西其實諸多硬傷，甚至克服硬傷的希望極其渺茫卻不得不為了畢業，職稱，經費可著勁兒的編。真是無奈啊

隔熱貼膜?
這東西某寶上多入牛毛。
不然你與為你車玻璃上貼的是什麼?
現在房頂都很少用這種反射類的隔熱材料，原因是不耐用。

做成汽車防晒膜或者太陽傘有用，當空調用就不可能了

你用過暖壺嗎？
原理應該是差不多的，但是暖壺膽鍍銀鍍得再牛逼，也不能把空氣輻射進內部的熱量弄得比內部熱水對外的輻射量還大。
這薄膜再牛逼，太陽照上去該熱還是熱。
這個薄膜是真正的無能源的，如果無能源真能製冷，牛頓就得從墳里爬出來了。

我們都知道，太陽的輻射波長主要集中在可見光和紅外線波長範圍（0.3～3μm），這部分可見光和紅外線幾乎不被大氣層所吸收，直接照射到地面，導致地面升溫。
地面在被加熱之後，也會向外輻射熱量。由於溫度較低，輻射主要是長波紅外線形式，波長集中在3～50μm之間，這部分紅外線正好可以被大氣層吸收，這就導致了這部分熱量被留在地球，不會逸散到太空中去。
同時，大氣層中吸收輻射的主力CO2和H2O對波長為8～13μm的光線吸收率很低，穿透率很高，這個波段稱為大氣層的「空窗區」，這個波段的光線可以穿過大氣層，輻射到茫茫太空中去。
因此，根據我粗淺的理解，這篇文章的價值不在於製造了一種高反射率高輻射的材料（很多材料都能做到並且早就得到了大規模應用，比如low-E玻璃），而是這種材料的紅外輻射波長正好集中於大氣層不吸收的波長範圍內（8～13μm），因此被這種材料輻射出去的紅外線不會被大氣層吸收，也就意味著不會加劇溫室效應，能起到「給地球降溫、降低溫室效應」的作用。配合著現在全球變暖的概念的熱度，所以有比較大的科學價值而已。
因此，這種材料對個人、對建築的意義未必有多大，只是對於人類整體的生存環境才有較大的意義。

問的是如何評價新聞。
評價就是：看不起文科生的原因就是這些文科生四處秀無知。每一次標題黨都會讓人們在心底鄙視文科生一次，聚沙成塔。

不要相信新聞上的有關最新科技文章的標題

補充，輻射的效率的確是個問題呵呵
我是學微機電系統的。
這東西應該能替代空調降溫。搞不好還能有助溫室效應。
它的原理是薄膜的熱輻射能直接出去到大氣層外，所以實際上薄膜自己在降溫。
實際使用，只要在薄膜朝內的一面加反射膜，看帖子提到銀，我覺得可能要加多一層耐腐蝕和機械支撐，導熱好的材料，比如矽片。然後就是拿這個三明治來當散熱片用，配上對流管，不就是空調了嗎？

根據熱力學第二定律，有序的熱分配是要以做功為代價的

這個應該只是減少光向熱的轉化，並沒有影響能量總量和傳遞方向。

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