科學家們創造出一種超級白的顏料,剛好是奈米碳管黑體(Vantablack)的相反。

超白顏料

當現今的極黑材料能夠吸收超過百分之 99.96 的太陽光時,這種新的超白塗料能夠反射打中其的所有光子的百分之 95.5。

目前,其他能夠「抵抗熱的顏料」只能夠反射百分之 80 到 90 的陽光,且無法讓物體保持比起周圍環境更低的溫度。而以這種新式丙烯酸材料塗上的物體不會在直接的光線下加溫,即使在太陽底下,仍然能夠維持比周圍的溫度更為低溫,因此可以作為一種新的控制建築物內溫度的高效節能方法。

解決全球暖化

創造出可以直接反射熱到太空中而不需要任何能源輸入的單層顏料將會是對於氣候危機的巨大勝利,因為冷卻通常是由化石燃料所驅動,且對於全球暖化有很大的整體影響。

在夏天時,許多現代建築都依賴冷氣單元來將內部的熱向建築物外頭排放。這些被排放的熱、以及為了達成冷卻效果而在製造所需的大量能量時所產生的多餘的熱,將整個城市轉成了所謂「熱島」,並更進一步的加劇全球暖化。

美國普渡大學(Purdue University)的機械工程教授阮秀林(Xiulin Ruan)提到:「研發一種能夠提供方便、單層粒子基質的顏料型態且具有高可靠性的輻射冷卻方法,來使溫度低於周圍環境,是我們持續不斷的任務。這對於輻射冷卻的廣泛應用、以及減輕全球暖化效應而言都是很關鍵的。」

輻射冷卻技術

輻射冷卻是一種被動技術,將來自建築物的熱反射到太空之中,但是比起輻射加熱,輻射冷卻更難以達成。

自從 1970 年代開始,科學家們就試著找出如何反射足夠的太陽光,讓被動冷卻技術比起主動的冷氣機更有冷卻效果。最近,甚至有些科學家嘗試將「反式太陽能板」(reverse solar panels)拼裝在一起,能夠捕捉一些向外釋放的熱並轉換成能量,甚至在夜間也可以執行。然而,現在這些都只是概念而已,且仍然不清楚這樣的設備是否真的能夠如模擬般的運作。

因此,在居住用及商業用的建築物中塗上超白顏料可能是一個更有用的方法,至少在最近的未來之中。

材料及試驗結果

這種新丙烯酸顏料是由使用了高粒子濃度及寬粒子尺寸分布的碳酸鈣填料所製成,因此可以有效率地散射太陽光光譜中的所有波長。而顏料的基質也有振動共振峰,確保大量的熱可以透過比起其他冷卻顏料更快的速率來向外反射。

在為期兩天的,不同地點以及各種不同天氣情況的現場測試中,研究人員測試了顏料的輻射冷卻能力,並發現它可以散射約百分之 95.5 的太陽光,在夜間能夠保持在周圍溫度的10℃ 以下,在中午則可以至少保持在周圍溫度的 1.7℃ 以下。

比起塗上相同厚度的傳統白色顏料的表面,在紅外線鏡頭之下,覆蓋上碳酸鈣顏料的物體大致上維持較低的溫度。而且,這種顏料可以大致相同的方式塗上物體並乾燥、能抗磨損、防水、且能夠在至少三周內承受室外的風化,而更長的試驗正在進行中。

阮教授表示:「我們的顏料與商業顏料的製程是相容的,成本上是可相比、甚至是更低的。關鍵是要確保顏料的可靠性,如此一來就能夠將其使用於長期的戶外用途上。」

進一步的改善

研究的作者表示他們的顏料是「報導過的輻射冷卻表現最好」的顏料,雖然他們也承認,在審查他們的結果時,另一組團隊也發表了一篇論文,認為冷卻用顏料應該要包含高濃度的寬能隙粒子。他們也建議要加入以碳氟化合物為單體的聚合物,可以表現出對風化的高抵抗力。

在該論文中提到:「許多傳統的白色顏料在製造時強調耐久力,但是隨著時間推移,太陽反射率會下降。像是含氟高分子黏合劑這樣的材料可以提高反射率的壽命,因此能夠降低年均成本。」

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參考資料:

  1. Cassella, C., (2020, October 23). You’ve Heard of Vantablack. Scientists Just Created ‘Super White’, And It’s Very Cool. ScienceAlert
  2. Li, X. et al., (2020, October 21). Full Daytime Sub-ambient Radiative Cooling in Commercial-like Paints with High Figure of Merit. Cell Reports Physical Science. doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100221
  3. Mandal, J. et al., (2020, July 15). Paints as a Scalable and Effective Radiative Cooling Technology for Buildings. Joule. doi.org/10.1016/j.joule.2020.04.010
  4. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/you-ve-heard-of-vantablack-this-is-what-super-white-paint-can-do(圖:Caspar Benson/Getty Images)
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