溫室效應的救星：超冷材料

　　全球暖化是當今最受世人關注的議題之一，而「溫室效應」（greenhouse effect）正是造成暖化的主要原因。因此，當前各界專家不斷思考各式各樣的可能性，希望能降低溫室效應對地球暖化的影響。有一批科學家認為，如果有辦法讓環境中的紅外線盡量穿透大氣進入太空，就可以加速散熱，減少全球暖化，根據這樣的思維，這批科學家發明了「超冷材料」（super-cool material）。

　　溫室效應是指行星的大氣層由於吸收環境中的輻射能量，造成行星表面的溫度上升，其概念可由圖一的示意圖來理解。太陽所發的光中有很大的比例是介於380-780 nm的可見光範圍，這樣的光入射到地球時，不會被大氣吸收而直接入射到地表，一部分被地球吸收（47%），剩下的被反射回到外太空。而地球散發出來的熱量，則會以紅外線的形式向外散出，而這些紅外線有一部分會被大氣中的氣體，如水蒸氣、二氧化碳…等，吸收之後再被釋放。而重新釋放的紅外線有部分會回到地表因而造成地球整體的散熱能力下降。這樣的效應使得地球表面的平均溫度維持在15 °C，若沒有溫室效應，地表的溫度應該是-18 °C。但是，當大氣中的「溫室氣體」，如二氧化碳、甲烷等，太多時，會造成地球散熱能力過差使得溫度上升，造成全球暖化。

　　雖然大氣會吸收紅外光。但是，並不是所有波長的紅外光都會被吸收，其中波長介於8-13微米的紅外線可穿透大氣。因此當人或房子等地面物體散發出這個波長的紅外線，這些熱便可穿透大氣射入太空，藉此達到降溫的效果，這樣的現象稱為「被動輻射冷卻」（passive radiative cooling）。科學家結合了被動輻射冷卻與光反射開發出了超冷材料（參閱圖二）。一般來說，在太陽光的照射下，白色的物品比黑色的物品溫度低。例如，在大太陽底下，黑色的汽車會比白色的汽車熱。這是由於白色的物品比較不吸光，也就是，比較會反光；相反的，黑色的物品則有較高的吸光效率。超冷材料對太陽光要有很高的反射率，藉此減少太陽光的加熱效率。這個材料的反射率甚至要高於白漆（波長0.2-2.5微米的光的反射率可達94%）。此外，這個材料還需要能吸收周遭8-13微米波長的紅外光，並將吸收的光往空中釋放，射入太空，藉此達到降溫的效果。一般來說，在太陽光照射下，超冷材料會比周遭環境的溫度低5-10 °C。

　　最早設計出超冷材料的是來自史丹佛大學的研究團隊。他們在一個具有高反射率的四層薄膜材料上，利用奈米蝕刻技術製造出比光波長更小的奈米表面結構。當光通過這個材料時，這個結構會增加某些波長的光吸收及反射率，並抑制其他波長的光的吸收及反射率。這樣的材料在每平方公尺850瓦的太陽光直射下，比周遭環境低了約5 °C。

　　上段所述的超冷材料有一個缺點，就是製造成本很高，這主要是因為需要用到奈米蝕刻這種昂貴的技術。因此，科學家一直努力設法降低這類材料的製造成本。科羅拉多大學波德分校的研究團隊克服了這個缺點，並於2017年將研究成果發表於《科學》雜誌。他們利用便宜的塑膠（聚甲基戊烯）與玻璃（二氧化矽）球來製造超冷材料，如圖三之示意圖所示。他們在50微米厚的塑膠薄片內埋入了許多直徑約8微米的玻璃球（佔總體積的6%），並在塑膠片背面鍍上200 奈米的銀薄膜。玻璃球會吸收周遭波長範圍8-13微米的紅外線，此材料的紅線發射率為0.93；而銀薄膜則可反射96%的太陽光。這種材料在中午（上午11點到下午2點）太陽光的直射下，可以有93 W/m²的輻射冷卻效率，並可讓與其接觸的物體降溫10-16 °C。此外，這種材料可以採用卷對卷（roll-to-roll）的方式大量製造（每分鐘可產出寬30公分及長5公尺的超冷材料薄片）。因此，這種材料是一種經濟效益很高的超冷材料。這個團隊中的部分成員，進一步與馬里蘭大學的研究團隊合作，他們利用木頭中的纖維會吸受再釋放紅外線的特性，開發出了一種具有超級機械強度的「超冷木頭」（製作方式參考圖四）。這種木頭是白色的，換言之，有很好的反射率，因此不需要在添加其他的反光材料。此外，這種木頭不但可以散熱，而且機械強度超過了鋼、鋁、鎂、鈦等合金，因此不易變形。這項研究成果已經於2019年發表於《科學》雜誌。研究團隊推估，不同地區以超冷木頭所蓋的建築物可節省20%到60%的空調耗電，這在未來會是新式綠建築材料的絕佳選擇。

　　哥倫比亞大學的研究團隊，則是將超冷材料製成一種塗料（參閱圖五）。它可以混在各式漆類溶液中（如油漆），直接粉刷在牆壁或其他的物品上。這種塗料是一種多孔性的聚合物（P(VdF-HFP)HP），其化學鍵在伸縮的過程中會釋放波長8-13微米的紅外光。由於材料中孔洞的光學性質（介電常數）與聚合物差異很大，因此光由聚合物入射到孔洞時會被反射。這樣的超冷材料可反射96%的太陽光；其紅外線的發射強度為0.97。在太陽光以每平方公尺750到890瓦功率的直射下，這個塗料的散熱率可達每平方公尺96瓦，而塗料所覆蓋的物體則可降溫約6 °C。相較於其他的超冷材料，由於這種材料是塗料，可以塗覆在各種形狀的固態物體上，使用起來非常方便，再加上製造成本低廉，因此開發成實用商品的潛力無窮。這項研究成果已經於2018年發表在《科學》雜誌上。

　　威斯康辛大學麥迪遜分校的研究團隊，則是將「聚二甲基矽氧烷」（PDMS）噴灑在高反射性的材料上製造出超冷材料。例如，在鋁膜上噴上100微米厚的PDMS 並將其置放在空氣流通的校園停車場中，則它的溫度會比周遭環境低11 °C。這項研究成果已經於2019年發表於《自然永續性》上。

　　前述這些研究成果幾乎都申請了專利，甚至成立了公司。而這些公司所開發的商品都是利基於節能、減碳與綠建築所帶來的商機。相較於其他的冷卻技術，例如冷氣機、電冰箱等，超冷材料技術的優勢在於自發產生降溫因此不耗電，然而它還是有許多缺點需要克服。目前這項技術的節能效果都是基於小規模、短時間及小區域的測試。然而，在不同的氣候環境下，這項技術的效能仍被質疑。例如，在乾燥和晴朗的天氣下，超冷材料的降溫效果最好，然而在陰天或潮濕的環境中由於水蒸氣會吸收紅外線所以降低了材料的降溫效能。此外，這種材料會吸收環境中的紅外線，因此在冬天時會讓環境變得更冷，或許會增加暖氣的使用量。為了克服這項缺點，有人嘗試在超冷材料的頂部放入一層的液體，當低溫時，液體會結凍而凝固，並因此阻斷輻射光進入太空。換言之，被動輻射冷的效果會被中斷，而減少超冷材料的降溫效力。雖然超冷材料的應用仍有許多的困難需要克服，然而它所帶來的好處十分顯著，因此有很大的潛力在未來用於製造節能商品及綠建築。

1. X. Lim, Nature 577, 18 (2020).
2. Y. Zhai et al., Science 355, 1062 (2017).
3. J. Mandal et al., Science 362, 315 (2018).
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect.

註：本文獲得〝財團法人國立自然科學博物館文教基金會科普寫作網路平台〞審稿通過。