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，科學家們正在尋找新策略來給城市降溫。

中國南京，一棟大廈外墻上裝有上百臺空調機組。版權：Feng Botao/Visual China Group/Getty

　　是時候準備好應對破紀錄的高溫了。2023年已是有記錄以來最熱的一年，而2024年甚至更極端——在內華達州、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第13個氣溫創紀錄的月份。而在七月份，有連續四天的氣溫是整個地球有記錄以來最高的。

　　炙熱的溫度會引發水資源短缺，毀壞農作物，增加電網負荷，并引發熱應激和大規模死亡——據估計每年會導致近50萬人死亡[1]。因此，在這個日漸炎熱的世界里，科學家們正在努力開發新方法來給城市降溫，并同時大幅減少電力使用。進展包括高效空調以及無需耗電就能使其表面溫度低于周圍環境的特殊材料。

　　研究制冷

　　大多數空調和冰箱通過壓縮液體來將室內或電器內部的熱量轉移到外部。但這個過程會排放溫室氣體，并大量消耗能源。根據國際能源署的數據，全球空調和電扇消耗了建筑中約20%的電力。該機構預測，到2050年，全球空調所用的能源將增長三倍。

　　考慮到這一點，許多研究人員正在努力減少空調消耗的能源量。2023年，一個研究團隊開發了一種能使這些設備更加高效工作的技術，或可作為一個潛在的解決方案[2]。而且它還有一個額外的好處，那就是不依賴對環境有害的液體冷卻劑。

　　盧森堡科學技術研究所的研究員Emmanuel Defay和他的同事們構建了一個基于“電熱”制冷的設備。在制冷過程中，通過給一個絕緣陶瓷施加電場，來改變其中的原子的位置。但由于原子的運動受到了電場的限制，其振動會增加并轉化為熱能，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，電場即被關閉，陶瓷中的原子可以更自由地運動。這使得其振動減少，從而降低了陶瓷的溫度——這一變化就可以用來冷卻。

　　該設備是與日本長岡京市的制造公司村田制作所合作設計的，該公司已經在為手機、計算機和其它硬件生產此種類型的陶瓷。Defay表示，這將有助于使該技術規模化。但他也提醒說，將其投入產品可能需要時間。他希望他和他的團隊能在五年內制造出第一批用于細分市場的產品，如冷卻電動汽車中的電池。然后，也許他們可以在下一個十年中著手于空調。

　　改變游戲規則的材料

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

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

　　“這些材料可能改變游戲規則。”亞利桑那州立大學的地理科學與城市規劃學院院長David Sailor說。他不開發這些技術，但研究能怎么在城市環境中利用它們。它們不僅可以幫助降溫建筑物——從而減少對空調的需求——還可以冷卻室外空氣。“如果一個表面總是比空氣更涼，那么這個表面總會在空氣流過它時，從空氣中取出熱量。”Sailor說，“所以它會主動冷卻城市的大氣。”

　　2014年，加州大學洛杉磯分校的材料科學家Aaswath Raman在加州的斯坦福大學進行研究時，設計出了第一種超冷材料。他和同事創造了一種冷卻表面，其在太陽輻射峰值的可見波長上具有高反射率，且在中紅外波段具有發射性[3]，后者正是關鍵。大氣層捕獲了地球表面物體以熱量形式發射出的大部分紅外輻射。但特定波段的紅外輻射，即8-13微米波長段，可以直接穿過大氣層并消失于太空中。超冷材料正利用了這個紅外窗口。

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

　　研究人員在亞利桑那州的一個停車場上涂上了特殊油漆（左圖，淺色區域）。

　　紅外圖像顯示該區域比周圍環境更為涼爽。版權：Edwin Ramirez/亞利桑那州立大學地理科學與城市規劃學院從那時起，這個領域爆炸式地發展了起來。在實驗室中，已經制造出了塑料、金屬、油漆甚至木材材質的超冷材料。

　　科學家們還在繼續推動著它們的發展。2023年7月，中國四川大學的研究人員報告說，他們已可通過將商售三文魚精子DNA和明膠溶液冷凍干燥，來制造超冷氣凝膠[4]。在這一氣凝膠置于室外時，表面溫度可降低至比周圍空氣溫度低最多16°C。

　　中國鄭州大學的材料科學家劉憲虎沒有參與這項研究，但對此感到心潮澎湃——因為這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）的超冷材料產生的污染物也更少。使用生物質材料也意味著它是可降解的。“這是可持續性和能源效率的罕有組合。”劉憲虎說。

　　但Raman對研究結果的準確性有所懷疑。該團隊測量的空氣溫度比當天當地的氣象站報告的溫度高出了20-30°C。“他們的溫度傳感器可能暴露在陽光下被加熱了。”Raman表示。

　　不過，研究的主要研究員馬健文說，他和團隊測量的是一個封閉冷卻測試箱內的空氣溫度，不是外部的大氣溫度[4]。“如今冷卻測試的方法一直有所爭論。”他說，“輻射冷卻的特性依舊復雜且不完美，我們希望將來會有一個統一的標準。”

　　涼爽的表面

　　在他自己的研究中，Raman已經從超冷材料轉向了被稱為冷卻材料（cool materials）的類別，這類材料通常被設計成反射大部分入射的太陽輻射，但不一定會被設計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光。”他說，因為只要反射性足夠強，大多數材料仍然會在全紅外波段上發射熱量，并達到略低于周圍空氣的溫度。

　　Raman還在研究另一種應用于垂直表面（如建筑物立面）的材料。實現這一應用難度很大，因為立面既朝向天空又朝向地面，所以它們會在夏天吸收地面的熱量，又在冬天散失熱量給地面。

　　Raman的團隊找到了一個可能的解決方案。2023年6月，研究人員報告了一種物理機制，它依賴于一種特殊材料來根據季節冷卻或加熱墻壁[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少于傳統墻壁。而在冬天，它向地面失去的熱量比傳統墻壁要少。此外，該團隊發現許多低成本材料具有這種獨特的特性——包括用于薯片或炸薯條的聚丙烯袋。他表示，這一發現可能會造福于沒有空調的地方，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‘這還遠得很’之類的觀念，特別是在建筑師和工程師中。”Raman說，“我希望他們意識到，我們現在就可以做很多事情。”

　　其他研究人員也在致力于這個問題。紐約哥倫比亞大學的材料科學家楊遠和同事近期發表了一份報告，描述了他們將超冷油漆應用于波紋墻的工作——但只應用于波浪狀圖案朝向天空的一側。然后，團隊在朝向地面的一側應用了一種吸收熱量低的金屬[6]，確保該側不會吸收過多的熱量。墻面的表面溫度比周圍空氣低了2-3°C。該團隊目前正在尋找經費支持進一步的開發。

　　另一些技術試圖從地面開始為城市降溫。2023年9月，Sailor領導亞利桑那州立大學坦佩校區的一個團隊，與一家管理大型購物中心的美國公司合作，涂裝并測試了一種反射性的“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，可以用來替代傳統深色涂層，后者約每五年應用一次以作表面維護。作為測試，淺色密封劑被應用于購物中心停車場的近6000平方米區域，周圍區域則涂以傳統的深色密封劑，使Sailor和團隊能做比較。

　　效果涇渭分明。Sailor表示，在下午早些時候，涼爽路面的地表溫度比停車場的其它部分低近8°C，其上方的空氣溫度低0.8°C。但這一發現尚未發表。

　　盡管0.8°C可能看上去不太明顯，但Sailor認為，如果能使亞利桑那州鳳凰城的整個城市降溫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，僅空調使用的下降就可以節省約2000萬美元。

　　形變材料

　　澳大利亞墨爾本大學的工程師Mohammad Taha和團隊正在采取不同的方法來給家里和房屋降溫。2023年初，該團隊描述了一種“相變墨水”，由根據溫度改變相位的懸浮納米顆粒組成，會從低溫下的超導體變為更高溫度下的金屬[7]。

　　這一能力使材料可以根據外部溫度保持涼暖。簡單來說，當材料加熱并變成金屬時，它具有了可以反射額外熱量的線性結構。當它冷卻并變成超導體時，材料轉變為了允許熱量進入的絕緣曲折結構。

　　將來，Taha希望將這種墨水用作窗戶涂層。“若要看建筑物在熱損失方面的最弱環節，那就是窗戶。”他們說，“一個完全由玻璃組成的建筑物在炎熱的日子里感覺就像個溫室。”如果Taha團隊將來能夠有效應用這種材料，情況可能會改變。而且研究人員還可以根據季節設計不同的涂層——分層排布，保持建筑物冬暖夏涼。

　　從實驗室到城市

　　目前尚不清楚這些降溫技術中哪些可能在未來產生重大影響。許多技術還沒有離開實驗室，其它一些也只應用于了小規模的項目。出于這個原因，Sailor認為研究人員在推進之前需要審慎評估所有新材料。“這對我們科學界很重要，而我也將評估這些技術視為我的職責之一：不僅要關注它們的優勢，也要重視其缺點。”他說。

　　例如，涼爽路面有一個潛在的缺點，它向上反射輻射。當太陽高懸天空時，走在路面上的人會同時感受到來自上方的陽光和下方的反射輻射。他說這種涂層可能不太合適用在操場等環境，因為人們可能會在白天中午時段長時間停留。一個比較好的選項是用于街上的人行橫道，他說，因為人們只會在那里走上幾秒鐘。

　　再有的問題是超冷材料在各種氣候中的工作效果如何。比如說，如果是多云或潮濕氣候，這些材料就可能效果不佳——因為水蒸氣會捕獲紅外輻射，阻止其散入太空[8]。然而，Raman認為超冷材料在這些氣候中仍然可以表現良好。他表示，就算它們不能充分降溫空氣，但也不會加熱空氣[9]。

　　另一個未知數是消費者是否會接受這個想法。即使是用更淺色的、反射性的屋頂替換舊屋頂這樣簡單的措施也沒有被廣泛采用。工作需要，Sailor經常帶著紅外相機乘直升機在鳳凰城上空飛來飛去，他總是對深色屋頂的數量感到驚訝——盡管更涼爽、更淺色的屋頂多有益處。

　　盡管如此，一些城市正在測試和部署各種緩解技術。例如，洛杉磯一直在鋪設涼爽路面，目標在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的物理學家Mattheos Santamouris和團隊在世界各地的300多個大型緩解項目中應用了類似的材料。24年1月，他的團隊詳細描述了一種多方位策略，將利雅得的氣溫降低多達4.5°C[10]。“這真是緩解項目之冠。”Santamouris說。利雅得已經開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，并將灌溉樹木的數量增加一倍。

　　盡管這種方法包括一整套解決方案，但經Santamouris團隊的計算，增加超冷材料的影響最大。Santamouris說，這些材料的“市場正在迅速增長”，“世界上有越來越多的工業生產商。我認為這是未來。”