مُنبِث حراري ثنائي الانتقاء مع أداء مُعزز للتبريد الإشعاعي تحت المحيط A dual-selective thermal emitter with enhanced subambient radiative cooling performance
التبريد الإشعاعي هو تقنية ذات طاقة صفرية تتيح التبريد دون درجة الحرارة المحيطة من خلال انبعاث الحرارة إلى الفضاء الخارجي. ) من خلال النوافذ الشفافة الجوية. ومع ذلك، تركز التصاميم الحالية عادةً فقط على النافذة الشفافة الجوية الرئيسية ( ) وتجاهل نافذة أخرى ( )، مما يؤدي إلى استغلال غير كافٍ لإمكانات التبريد الخاصة بهم. هنا، نعرض تصميمًا للتبريد الإشعاعي ذو الانتقائية المزدوجة يعتمد على مصدر حراري قابل للتوسع، والذي يظهر انبعاثًا انتقائيًا في كل من النوافذ الشفافة في الغلاف الجوي وانعكاسًا في بقية نطاقات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والأشعة الشمسية. ونتيجة لذلك، يظهر المصدر الحراري ذو الانتقائية المزدوجة قدرة تبريد تحت المحيطات فائقة الارتفاع ( ) تحت أشعة الشمس القوية، متجاوزًا المصدّرات الحرارية النموذجية الحالية ( المبرد) ونظائرها التجارية (كمواد بناء). علاوة على ذلك، فإن العينة ذات الاختيار المزدوج تظهر أيضًا مقاومة عالية للعوامل الجوية وتوافقًا في الألوان، مما يدل على عمليتها العالية. يوفر هذا العمل تصميمًا قابلًا للتوسع وعمليًا للتبريد الإشعاعي من أجل إدارة حرارية مستدامة.
شهد العقد الأخير تطورًا هائلًا في تقنية التبريد الإشعاعي النهاري (RC)، التي تحقق تبريدًا دون درجة حرارة البيئة تحت ضوء الشمس دون أي استهلاك للطاقة أو انبعاثات غازات دفيئة.لذلك، فإنها تمثل بديلاً واعدًا ومستدامًا لأنظمة التبريد التقليدية التي تستهلك الطاقة بشكل كبير. تنبع قدرة مادة التبريد تحت المحيط من قدرتها على إصدار الحرارة (كمنبع حراري) إلى الفضاء الخارجي البارد من خلال النوافذ الشفافة في الغلاف الجوي، بينما ترفض الإشعاع الشمسي (مع عكس شمسي عالي) في نفس الوقت.تم تطوير مجموعة متنوعة من المنبعثات الحرارية الفعالة كمواد للتحكم الحراري في المباني والأفراد خلال النهار.. وفقًا للطيف استجابة في نطاق الموجات تحت الحمراء المتوسطة (MIR)، يمكن تصنيف هذه المصادر الحرارية بشكل رئيسي إلى مصادر حرارية غير انتقائيةومصادر الإشعاع الحراري الانتقائيةتظهر المصادر الحرارية غير الانتقائية امتصاصًا/انبعاثًا عاليًا على مدار موجات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بالكامل (الشكل 1أ (الأعلى)، ب)، بينما تظهر المصادر الحرارية الانتقائية امتصاصًا/انبعاثًا عاليًا فقط فينافذة جوية (تعرف على أنها مواد RC أحادية الانتقائية) وانعكاس عالٍ في نطاقات موجات MIR المتبقية (الشكل 1a (الوسط)، b والشكل التكميلية 1a).
مقارنةً بالمنبعثات الحرارية غير الانتقائية، تم إثبات أن المنبعثات الحرارية الانتقائية تتمتع بتبريد أفضل.
الشكل 1 | شرح مفهومي وحسابات نموذجية لمبرد إشعاعي مزدوج الانتقاء. أ مخطط لعملية نقل الحرارة الإشعاعية لمبرد غير انتقائي (أعلى)، ومبرد أحادي الانتقاء (في المنتصف)، ومبرد مزدوج الانتقاء (أسفل).الميزات الطيفية المقابلة في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة لأنواع نماذج RC الثلاثة المختلفة. الخلفيات هي قابلية النفاذية الجوية للمناخات الجافة وشبه الرطبة والرطبة، على التوالي. يتميز نموذج RC الانتقائي المزدوج بحدوث امتصاص/انبعاث عالي فقط ضمن نافذتين جويتين وعاكسية عالية خارج النافذتين، بما في ذلك نطاقات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة الشمسية وغير النافذة. تم توليد بيانات نفاذية الغلاف الجوي باستخدام برنامج نمذجة ATRAN في نطاق الموجات. ج القوة التبريدية النظرية لهذه الثلاثة مبردات إشعاعية مختلفة كدالة لدرجة حرارة المصدر عند قيمة ثابتةمن (للاطلاع على معادلات الحساب التفصيلية، انظر
النص التكميلي 1). يتم الوصول إلى الحد النظري للتبريد تحت المحيط عندما تصل قدرة التبريد إلى الصفر (تقاطع المنحنى مع -المحور). يعتمد الحساب على النفاذية الجوية في بيئة جافة (الرطوبة النسبية، الأزرق في ج) ومعامل نقل الحرارة غير الإشعاعي لـ (خطوط صلبة) و 4 (خطوط متقطعة) مقارنة القدرة التبريدية النظرية بين المبردات الإشعاعية ذات الانتقاء المزدوج، والانتقاء الأحادي، وغير الانتقائية في ظروف مختلفةإلى. الحساب يعتمد على نفس النفاذية الجوية مع ونفس درجة الحرارة بين المصدر الحراري و الـ الحد النظري للتبريد تحت المحيط لثلاثة أنواع من المبردات الإشعاعية في ظروف مختلفة. الحساب يعتمد على قدرة التبريد الصافيةمن و تُقدم بيانات المصدر كملف بيانات مصدر. الأداء بسبب استبعاد الحرارة الطفيلية الجوية السفلية“. ومع ذلك، فإن المواد أحادية الانتقائية الحالية تظهر فقط أداءً متفوقًا في التبريد في السيناريوهات الخارجية المثالية أو القريبة من المثالية، حيث يمكن تجاهل الحرارة غير الإشعاعية (الشكل 1c-e والشكل التوضيحي 2). في معظم السيناريوهات الحقيقية (مع معامل نقل الحرارة غير الإشعاعيعادةً ما تتدهور أداء التبريد لمصادر الإشعاع أحادية الانتقاء بشكل حاد، بل تصبح أسوأ من مصادر الإشعاع غير الانتقائية (الشكل 1e والشكل التكميلي 3). من الواضح أن تأثير التبريد لمصادر الإشعاع أحادية الانتقاء يكون أكثر عرضة للتأثر بالحرارة غير الإشعاعية بسبب قدرتها التبريدية الأقل مقارنة بمصادر الإشعاع غير الانتقائية.أقل، الشكل التوضيحي التكميلي 4)، مما يحد من تطبيقاتها العملية (على سبيل المثال، انخفاض توافق الألوان).
في الواقع، بالإضافة إلى النافذة الشفافة الجوية المعروفة على نطاق واسع في نطاق الموجات، هناك أيضًا نافذة شفافة في الغلاف الجوي فينطاق الموجات (المعرف بأنه النافذة الجوية الثانية)، خاصة في المناخات الجافة (الشكل 1أ والشكل التوضيحي 5)كما هو معروف، هناك مطالب متزايدة وعاجلة للتبريد في المناطق الحارة الجافة أو في المواسم في جميع أنحاء العالم.ومع ذلك، فإن تأثير التبريد من النافذة الجوية الثانية غالبًا ما يتم تجاهله في معظم الدراسات السابقة لأن شفافيتها الجوية تقل مع زيادة الرطوبة بسبب الامتصاص القوي للحرارة بواسطة الماء في هذا النطاق الموجي.حتى الآن، لا يزال هناك نقص في الأبحاث النظرية الصريحة وتصميم المواد للنافذة الجوية الثانية، مما يحد من إمكانيات التبريد لمواد RC، خاصة في المناخات الجافة.
هنا، نعرض تصميمًا ثنائي الانتقائية لمصدر حراري يعتمد على مادة بوليمرية معدنية قابلة للتوسع تحقق انبعاث حرارة انتقائي في كلا النافذتين الشفافيتين الجويتين الأولى والثانية، مما يتيح تحسين أداء التبريد الإشعاعي مقارنةً بالمنبعثات الحرارية التقليدية الموجودة. ومن المهم أن المنبعث الحراري الثنائي الانتقائية الناتج يظهر انبعاثية قدرهافي النافذة الجوية الأولى )، انبعاث من في النافذة الثانية ( )، وعاكسية عالية في بقية نطاقات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والأشعة الشمسية (عاكسية شمسية لـفي )، مما يجعله مادة RC ثنائية الانتقاء مثالية. ونتيجة لذلك، يظهر العينة ذات الانتقاء المزدوج أداءً فائقًا في التبريد تحت الظروف المحيطة ( تحت أشعة الشمس القوية )، وهو أعلى بكثير من ذلك الخاص بالمنبعثات الحرارية غير الانتقائية والانتقائية الأحادية النموذجية و ، على التوالي). علاوة على ذلك، فإن المصدر الحراري الانتقائي المزدوج يظهر أيضًا قدرة تبريد صافية عالية (تحت أشعة الشمس القوية (الذروة )، وهو أعلى بكثير من العينة أحادية الانتقاء علاوة على ذلك، يظهر الباعث الحراري الثنائي الانتقائية أيضًا متانة عالية (يستمر لمدة 300 ساعة من اختبار الأشعة فوق البنفسجية المكثف، و5 أشهر من التعرض في الهواء الطلق، و12 ساعة من معالجة المياه المستمرة). عند استخدامه كسقف مبنى، يظهر أداء تبريد أفضل بشكل ملحوظ مقارنةً بنظائره التجارية التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، حتى عندما يتم تغطية الباعثات الحرارية الثنائية الانتقائية بألوان مختلفة، لا يزال يظهر أداء تبريد تحت البيئة مرتفع، مما يجعله مناسبًا لتطبيقه على نطاق واسع في أسطح المباني.
النتائج
نموذج التبريد الإشعاعي الانتقائي المزدوج لتقييم إمكانيات التبريد من النافذة الجوية الثانية، قمنا بعرض نموذج RC مزدوج الانتقائية يتميز بانتقائية
امتصاص/انبعاث عالي في نافذتين جويتين وارتفاع عكس في باقي نطاقات الأشعة تحت الحمراء غير النافذة والأشعة الشمسية (الشكل 1 أ، ب والشكل التكميلي 1 ب). تم استخدام بيانات شفافية الغلاف الجوي في مناخ جاف (تم الحصول عليها من برنامج نمذجة ATRAN مع عمود بخار ماء يبلغ 1.0 مم وزاوية زينيث صفر) في الحساب لتعظيم تأثير التبريد للنافذة الجوية الثانية . تم استخدام النماذج النظرية للمنبعثات غير الانتقائية والانتقائية الأحادية الموضحة أعلاه للمقارنة (الشكل 1 ب). تظهر الحسابات النظرية أن المنبعث الانتقائي المزدوج لديه قدرة تبريد صافية أعلى بشكل ملحوظ ( عند درجة حرارة محيطة من ) من المنبعث الانتقائي الأحادي ، الذي قريب من النموذج غير الانتقائي ( ) (الشكل 1 د، النص التكميلي 1 والشكل التكميلي 4). في بيئة مثالية ( )، يتمتع نموذج RC الانتقائي المزدوج بأداء تبريد دون المحيط قريب من ذلك للنموذج الانتقائي الأحادي ( ) وأفضل بكثير من النموذج غير الانتقائي ( ) (الشكل 1 ج، هـ، النص التكميلي 2 والشكل التكميلي 2). ومع ذلك، في السيناريوهات الحقيقية ( ، فإن أداء التبريد دون المحيط لنموذج RC الانتقائي المزدوج أفضل بشكل ملحوظ من ذلك للنماذج RC غير الانتقائية والانتقائية الأحادية. على سبيل المثال، عند ، كان نموذج RC الانتقائي المزدوج أبرد من النموذج غير الانتقائي، و أبرد من النموذج الانتقائي الأحادي (الشكل 1 هـ، النص التكميلي 3 والشكل التكميلي 3، والجدول التكميلي 1). تظهر المحاكاة في بيئة ذات رطوبة أعلى أنه حتى في بيئة ذات رطوبة عالية، لا يزال النموذج الانتقائي المزدوج يحتفظ بأداء تبريد دون المحيط قريب من النموذج الانتقائي الأحادي وأفضل بكثير من النموذج غير الانتقائي (النص التكميلي 4 والأشكال التكملية 5-7). لذلك، فإن التصميم الانتقائي المزدوج قادر على استغلال الإمكانات التبريدية لمواد RC بالكامل وبالتالي من المتوقع أن يحسن التوافق متعدد الوظائف لتقنية RC في التطبيقات العملية (مثل، توافق الألوان). ومع ذلك، على الرغم من وجود تصاميم انتقائية مزدوجة متنوعة ، لم يتم تطوير أي مواد انتقائية مزدوجة مرغوبة تجريبياً حتى الآن. لا يزال من التحدي تصميم منبعث حراري انتقائي مزدوج من خلال طريقة بسيطة تتمتع بتحكم طيفي دقيق في نافذتين جويتين، والأشعة تحت الحمراء غير النافذة، ونطاقات الأشعة الشمسية.
تصميم المواد وتوصيفها
يعتمد تصميم المنبعثات RC الانتقائية المزدوجة على نظرية اهتزاز الجزيئات (تصميم جزيئي في نطاق الأشعة تحت الحمراء غير النافذة من ) ونظرية تشتت ميا (تصميم هرمي نانو-ميكرون في نطاق الأشعة الشمسية من 0.3-2.5 ). بشكل محدد، فإن وجود اهتزازات جزيئية قوية هو شرط أساسي لتحقيق امتصاص/انبعاث قوي للمواد العضوية في النطاقات الموجية المقابلة . يمكن الوصول بسهولة إلى اهتزازات الجزيئات المناسبة (روابط جزيئية/مجموعات وظيفية) مع الاستجابات الطيفية المرغوبة باستخدام قواعد بيانات “رابطة جزيئية مقابل الطول الموجي” المعتمدة حالياً (مثل، قاعدة بيانات NIST القياسية) . بالنسبة لمنبعث حراري انتقائي مزدوج مثالي، يجب أن تكون نطاقات اهتزاز الروابط الجزيئية/المجموعات الوظيفية محدودة ضمن نطاقي النافذة الجوية ( و على التوالي). بناءً على فحص دقيق وتحليل لروابط الجزيئات للبوليمرات الشائعة ونطاقات الاهتزاز المقابلة، من المتوقع أن يوفر الجمع بين بوليمرَين مستخدمَين على نطاق واسع، بوليمر فورمالدهيد (POM) وبوليمر تترافلوروإيثيلين (PTFE)، اللذان يحتويان بشكل رئيسي على روابط C-O-C وC-F على التوالي، الخصائص الانتقائية المزدوجة المرغوبة. وذلك لأن الأول لديه اهتزازات جزيئية قوية بشكل رئيسي في النافذة الجوية الأولى ( ) بسبب الامتصاص القوي لرابطة C-O-C، بينما الثاني لديه اهتزازات جزيئية قوية بشكل رئيسي في النافذة الجوية الثانية ( ) بسبب الامتصاص القوي لرابطة C-F، ولا يوجد أي منهما لديه اهتزازات جزيئية قوية في نطاقات الأشعة تحت الحمراء غير النافذة. تم تأكيد خصائص اهتزاز الجزيئات الخاصة بهم من خلال أطياف تحويل فورييه للانعكاس الكلي المخفف (ATR-FTIR، الشكل 2 أ و
الجدول التكميلي 2) . بالإضافة إلى اهتزازات الجزيئات المناسبة، تم اختيار كلا البوليمرين بسبب خصائصهما الفيزيائية والكيميائية المناسبة (مثل، عدم السمية، الاستقرار الحراري العالي، والقوة الميكانيكية العالية) وتوفرهما التجاري، مما يوفر الأساس للتطبيق العملي وتوسيع نطاق مواد RC الانتقائية المزدوجة. أخيرًا، نظرًا لخصائص نقل الأشعة تحت الحمراء غير الموجية للبوليمرات (شفافة للحرارة) في النطاقات غير الاهتزازية، فإن قاعدة معدنية عاكسة للحرارة (مثل، ورق الألمنيوم (Al)) مطلوبة أيضًا لتحقيق عكس عالي في نطاقات الأشعة تحت الحمراء غير النافذة.
لتحقيق أداء تبريد عالي، يجب أن تحتوي المنبعثات الحرارية الانتقائية المزدوجة أيضًا على عكس شمسي عالي، والذي يعتمد بشكل رئيسي على أحجامها الدقيقة/النانوية . عادةً ما يتم معالجة مركبات POM-PTFE تجاريًا بالذوبان وتفتقر إلى الهياكل الدقيقة/النانوية، مما يؤدي حتمًا إلى انخفاض العكس الشمسي . لذلك، يتطلب الأمر تصميم هيكلي عقلاني لـ POM وPTFE. نظرًا لأن ألياف POM بحجم نانو أو ميكرون يمكن تحقيقها بسهولة من خلال تقنية النانو، وجزيئات PTFE الدقيقة/النانوية متاحة تجاريًا (الشكل التكميلي 8) ، فإن الجمع بين ألياف POM وجزيئات PTFE لتحقيق خصائص انتقائية مزدوجة هو أمر بسيط وقابل للتنفيذ. بناءً على ذلك، قمنا بحساب كفاءة التشتت لألياف POM وجزيئات PTFE كدالة لقطر الجزيئات/الألياف عبر الطيف الشمسي ( ) باستخدام نظرية تشتت ميا (الشكل 2 ب والنص التكميلي 5) . كما هو موضح في الشكل 2 ب، يمكن تحقيق تشتت قوي (عكس عالي) في نطاق الأشعة الشمسية عندما يكون توزيع قطر الألياف أو الجزيئات قريبًا من نطاق الأشعة الشمسية ( )، مما يوفر دليلًا واضحًا لتصميمات هيكلية هرمية (النص التكميلي 6). لذلك، من المتوقع أن يكون نموذج POM-PTFE الهرمي المغطى على قاعدة معدنية هو منبعث حراري انتقائي مزدوج مثالي مع عكس شمسي عالي.
استنادًا إلى التصاميم الجزيئية والميكروهيكلية المذكورة أعلاه، تم تصنيع فيلم ليفي شبيه بالخرز من POM-PTFE مغلف على قاعدة ورق الألمنيوم كمنبعث حراري انتقائي مزدوج مثالي (يشار إليه باسم POM-PTFE-AI الانتقائي المزدوج) عبر عملية سحب كهربائي قابلة للتوسع (الشكل 2 ج-هـ، الأشكال التكملية 9، 10 والفيلم التكميلي 1). تم استخدام قاعدة ورق الألمنيوم ( -سميك، الشكل التكميلي 11) بشكل أساسي كعاكس للحرارة للتخلص من الحرارة المحيطة المنقولة عبر فيلم البوليمر. تم تصميم فيلم POM-PTFE بعناية ( م-سميك، ) وتم تشكيل كومة غير مرتبة من ألياف شبيهة بالخرز تتكون من ألياف POM بحجم نانو ( ، مركز عند ) وجزيئات PTFE بحجم ميكرون ( ، مركز عند ) (الشكل 2 هـ، إدراج الشكل 2 ف، النصوص التكملية 7، 8، والأشكال التكملية 12-18). إن توزيع الحجم المناسب القريب من نطاق الطول الموجي للطيف الشمسي، والترتيب غير المرتب للألياف، وورق الألمنيوم العاكس للغاية يجعل منبعث POM-PTFE-Al الحراري يتمتع بعكس شمسي عالي يصل إلى في نطاق (الشكل 2 ف والشكل التكميلي 19). علاوة على ذلك، في منطقة MIR، يظهر منبعث POM-PTFE-Al انبعاثًا انتقائيًا عاليًا في كلا النافذتين الجويتين ( في و في على التوالي، الشكل 2 ف) وعكسًا عاليًا في باقي النطاقات غير النافذة (الشكل التكميلي 20)، مما يظهر خاصية انتقائية مزدوجة مرغوبة. علاوة على ذلك، يظهر المنبعث الانتقائي المزدوج أيضًا قوة شد عالية تبلغ 8.2 ميجا باسكال (الشكل التكميلي 21 والجدول التكميلي 3). بالإضافة إلى ذلك، تظهر استجاباته الطيفية تغييرات قليلة أو شبه معدومة خلال وبعد اختبارات الاستقرار، بما في ذلك 300 ساعة من الإشعاع فوق البنفسجي المكثف ( ، ما يعادل أيام من التعرض المستمر في الهواء الطلق في بكين، الشكل 2g، النص التكميلي 9، والشكل التكميلي 22)، 5 أشهر من التعرض في الهواء الطلق في بكين (الشكل 2g والشكل التكميلي 23)، و12 ساعة من المعالجة المستمرة بالماء (الأشكال التكميلية 24 و25 والفيلم التكميلي 2)، مما يدل بوضوح على قوتها الميكانيكية العالية، ومقاومتها العالية للأشعة فوق البنفسجية، واستقرارها العالي في الهواء الطلق، ومقاومتها العالية للماء.
تظهر هذه النتائج أن POM-PTFE-AI المُركب يتمتع بخصائص مثالية لنموذج RC الثنائي الانتقائية ومرتفع
الشكل 2 | تصميم، تحضير، وتحليل طيفي لمصدر POM-PTFE-Al ذو الانتقائية المزدوجة. أ التصميم الجزيئي. طيف FTIR-ATR لـ POM و PTFE حيث تقع القمم الرئيسية المميزة لامتصاص/انبعاث اهتزاز C-O-C لـ POM في منطقة النافذة الجوية الأولى. )، وامتصاص/انبعاث الاهتزاز C-F لـ PTFE بشكل رئيسي في النافذة الجوية الثانية تشير الصناديق الحمراء والزرقاء إلى النافذة الجوية الأولى والثانية، على التوالي.تصميم الهيكل النانوي-الميكروي الهرمي. محاكاة كفاءة التشتت لألياف POM (يسار) وجزيئات PTFE (يمين) على مدى طول الموجةمع تغير قطر الألياف من 0.2 إلىوكان قطر الجسيمات يتراوح من 0.2 إلى. مخطط POM الانتقائي المزدوج-
مُنبِّه PTFE. د، هـ صورة (مقياس الرسم ) وصور SEM للفيلم المركب من POM-PTFE، الذي يحتوي على هيكل ألياف يشبه الخرز يتكون من نانو ألياف POM وميكرو جزيئات PTFE. قضبان القياس في و (إدراج). الاستجابة الطيفية لفيلم POM-PTFE المغطى بورق الألمنيوم (POM-PTFE-Al) فينطاق الموجات، بما في ذلك الانعكاسية الشمسية (الخط الأسود) والانبعاثية في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (الخط الأحمر). يوضح الشكل الجانبي التوزيع الإحصائي لأقطار الألياف النانوية من POM وجزيئات PTFE داخل فيلم POM-PTFE.الاستجابة الطيفية لفيلم POM-PTFE-AI قبل وبعد اختبارات التعرض المكثف للأشعة فوق البنفسجية والتعرض في الهواء الطلق. يتم توفير بيانات المصدر كملف بيانات مصدر. الاستقرار، مما يشير إلى إمكانية توفير أداء تبريد أفضل من أجهزة الإشعاع الحراري غير الانتقائية والانتقائية الأحادية الحالية، خاصة في المناخات الجافة.
القياسات الحرارية
تم قياس أداء التبريد تحت المحيط والقوة الصافية للتبريد لمادة POM-PTFE-Al ذات الانتقاء المزدوج في صحراء أولان بوه الحارة والجافة بشكل دائم (في منغوليا الداخلية، شمال غرب الصين).، )، حيث تم اختيار مثل هذا البيئة الجافة لتعظيم إمكانيات التبريد للنافذة الجوية الثانية ( تم استخدام أجهزة القياس المصممة خصيصًا لاختبار أداء التبريد تحت الظروف المحيطة (الشكل 3 أ، ب) وكانت كل جهاز يتكون بشكل أساسي من فيلم بوليمري، ودرع هوائي (فيلم PE)، ورغوة عازلة محاطة بورق الألمنيوم (لحماية الحرارة المحيطة)، ومزدوج حراري من النوع K تم معايرته بعناية (لمراقبة درجة حرارة العينة في الوقت الحقيقي). أظهرت الاختبارات الميدانية أنه في يوم حار وجاف يوم مشمسوالطاقة الشمسية و ذروة عند )، حقق نظام POM-PTFE-Al الثنائي الانتقائية انخفاضًا في درجة الحرارة دون الصفر (حتى، و تبريد تحت المحيط في ليلة صافية مع رطوبة أعلى ) (الشكل 3 ج، د والأشكال التكميلية 26، 27)، مما يوضح أدائه العالي في التبريد تحت الظروف المحيطة في السيناريوهات الحقيقية.
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام فيلم POM المغطى برقائق الألمنيوم بخصائص RC أحادية الانتقائية (المشار إليه بـ POM-AI أحادي الانتقائية) وفيلم بولي فينيليدين فلوريد (PVDF) بخصائص RC غير الانتقائية (المشار إليه بـ PVDF غير الانتقائية) للمقارنة مع العينة ثنائية الانتقائية (الشكل 3e، النص التكميلي 10 والأشكال التكملية 8a و28-30). كما ذُكر أعلاه، فإن اهتزازات الروابط الجزيئية القوية لـ POM تتركز فقط في النافذة الجوية الأولى مننطاق الموجات (الشكل 2أ)، في حين أن اهتزازات الروابط الجزيئية لـ PVDF موزعة عبر نطاق الموجات تحت الحمراء المتوسطة (بما في ذلك منطقة تحت الحمراء غير الشفافة، الملحق
الشكل 3 | قياس التبريد تحت المحيط للمنبعث ثنائي الانتقاء POM-PTFE-AI في صحراء أولان بوه (في منغوليا الداخلية، الصين، 6 و 7 سبتمبر- بر 2022). أ، صورةورسم تخطيطيجهاز القياس الحراري. شريط المقياسالقياس المستمر للرطوبة النسبيةودرجة الحرارةأكثر من 24 ساعة، جنبًا إلى جنب مع الإشعاع الشمسي لتوصيف أداء التبريد تحت المحيط للمنبعث ثنائي الانتقائية POM-PTFE. الصندوق الأزرق فيتشير إلى بيئة ذات رطوبة نسبية منخفضة للغاية. مقارنة انبعاثية الأشعة تحت الحمراء المتوسطة للاختيار المزدوج
POM-PTFE-Al، POM-Al أحادي الانتقائية، وPVDF غير الانتقائية. ف، ج قياسات درجة الحرارة في الوقت الحقيقيوانخفاض درجة الحرارة المتوسطة المحيطة المقابلمن الثلاثة مصادر الحرارية المختلفة من الساعة 10:00 صباحًا حتى 3:00 مساءً (7 سبتمبر 2022). أشرطة الخطأ فيتشير إلى تباينات القياس للعينات في أوقات مختلفة (تم قياسها بفواصل دقيقة واحدة على مدى 5 ساعات) وتظهر المتوسط.تُقدم بيانات المصدر كملف بيانات مصدر.
الشكل 29)، والتي هي متطلبات مسبقة لمواد RC الأحادية وغير الانتقائية، على التوالي. بعد عملية النسيج الكهربائي المماثلة وهندسة دقيقة أخرى، تم تصنيع فيلم الألياف النانوية POM (، الأشكال التكميلية 8a و 28) المغطاة برقائق الألمنيوم أظهرت انبعاثية انتقائية عالية في النافذة الجوية الأولى (الشكل 3e،فينطاق الموجة)، بينما فيلم PVDF (، الشكل التوضيحي التكميلي 30) أظهر انبعاثًا عاليًا عبر نطاق موجات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (الشكل 3e، فينطاق الموجات). بالإضافة إلى ذلك، كان لكل منهما قدرة عالية على عكس الشمس تصل إلى تقريباًفينطاق الموجة (الشكل التوضيحي 31)، الذي يقترب من نطاق POM-PTFE-Al ثنائي الانتقاء، متوافقًا مع نماذج RC أحادية الانتقاء وغير الانتقائية، على التوالي.
كما هو موضح في الشكل 3f و g، في أكثر الفترات حرارة وجفافًا خلال اليومتحت أشعة الشمس القويةمن الساعة 10:00 صباحًا حتى 3:00 مساءً، يظهر POM-PTFE-Al الثنائي الانتقائية أعلى تقليل في درجة الحرارة دون الصفر. ) بين العينات الثلاث، وهو أعلى بشكل ملحوظ من تلك الخاصة بـ PVDF غير الانتقائي ( ) و POM أحادي الانتقاء ( ). إن القدرة العالية على التبريد النهاري تحت الظروف المحيطة لعينة الانتقاء المزدوج تعود بشكل رئيسي إلى الطيف الانتقائي للأشعة تحت الحمراء المتوسطة مقارنةً بـ PVDF غير الانتقائي، وإلى الانبعاثية الانتقائية الأعلى في النافذة الجوية الثانية مقارنةً بـ POM أحادي الانتقاء. ومن الجدير بالذكر أن أداء التبريد لـ POM أحادي الانتقاء يتفوق أيضًا بوضوح على أداء PVDF غير الانتقائي عند سرعة رياح محيطية منخفضة نسبيًا من الساعة 10:00 صباحًا إلى 12:00 مساءً (الشكل 3f والشكل التكميلية 32)، وذلك أيضًا بسبب خاصية الطيف الانتقائي لمادة MIR التي تسمح بأداء تبريد أفضل من العينة غير الانتقائية في بيئة ذات حرارة غير إشعاعية منخفضة (قريبة من المثالية). ومع ذلك، تختفي المزايا عندما تزداد سرعة الرياح المحيطة (من الساعة 1:00 ظهرًا إلى 3:00 ظهرًا) بسبب الزيادة في الحرارة غير الإشعاعية حول العينة الناتجة عن زيادة سرعة الرياح. ستقلل الحرارة غير الإشعاعية المتزايدة بشكل ملحوظ من أداء التبريد لمواد RC أحادية الانتقاء، حيث أن قدرتها الصافية على التبريد أقل بكثير من تلك الخاصة بالمواد غير الانتقائية.
تم قياس القدرة التبريدية الصافية للمنبعثات الثنائية الانتقائية أيضًا في بيئة محيطة شبه ثابتة (في منتصف النهار من الساعة 11:30 صباحًا إلى 1:30 مساءً،والطاقة الشمسيةالشكل التوضيحي التكميلي 33a). إن جهاز القياس المستخدم مشابه لجهاز اختبار التبريد تحت الظروف المنخفضة الموضح أعلاه، ولكن مع إضافة سخان ذكي للحفاظ على نفس درجة الحرارة بين العينة والهواء المحيط في الوقت الحقيقي أثناء القياس (الشكل 4a). وقد وُجد أنه حتى تحت إشعاع شمسي قوي، لا يزال جهاز POM-PTFE-Al ذو الانتقائية المزدوجة يظهر قدرة تبريد صافية عالية. )، والتي كانت أعلى بكثير من تلك الخاصة بـ POM الانتقائي الأحادي ( ) (الشكل 4ب). أخذ القدرة التبريدية الموازنة مع التسخين الشمسي ( في مثل هذا البيئة الجافة، كانت القوة التبريدية للعينة ذات الاختيار المزدوج قريبة من الحد النظري لنموذج الاختيار المزدوج.، الشكل التوضيحي التكميلي 33b). بالمقارنة، أظهر العينة ذات الانتقاء المزدوج قدرة تبريد قريبة من العينة غير الانتقائية (النص التكميلي 11 والأشكال التوضيحية التكملية 34 و35). هذه النتائج
الشكل 4 | قياسات قدرة التبريد وأداء التبريد الخارجي للمنبع الثنائي الانتقائي. أ رسم تخطيطي لجهاز قياس الحرارة المستخدم لقياس قدرة التبريد للعينات.قياسات القدرة على التبريد في الوقت الفعلي للثنائي الانتقائي POM-PTFE-Al والوحيد الانتقائي POM-Al من الساعة 11:30 صباحًا إلى 01:30 ظهرًا (في صحراء أولان بوه)سبتمبر 2022). المنطقة البرتقالية فيتشير إلى الإشعاع الشمسي.اختبار الأشعة تحت الحمراء للمنبعث الحراري الثنائي الانتقائية في بيئة خارجية جافة31 يناير 2023) من بكين، الصينالصورةوصور الأشعة تحت الحمراء (د 30 دقيقة) للعينة ذات الاختيار المزدوج والعديد من مواد التسقيف التجارية النموذجية، بما في ذلك سقف الصلب الملون (أبيض، خلفية)، والأسفلت الأسود المكشوف (وغطاء أسفلت أسود (فيلم مغطى بالألمنيوم، ثنائي الاختيار) مغطاة، طلاء أبيض – مغطاة بورق الألمنيوم، ومطليّة بالطلاء الأبيض). شريط القياس في (ج)يجب ملاحظة أن الاختبارات تحت الحمراء نوعية، حيث تعتمد ألوان الصورة تحت الحمراء ليس فقط على درجة حرارة السطح ولكن أيضًا على انبعاثية الأشعة تحت الحمراء المتوسطة. لم يتم معايرة انبعاثية كل عينة في الصور تحت الحمراء بشكل فردي، وهو ما يعد غير مناسب بشكل واضح لعينة رقائق الألمنيوم ذات الانبعاثية المنخفضة للغاية. قياسات درجة الحرارة الداخلية في الوقت الحقيقي (بكين، الصين، 29 مارس 2023) لصندوق رقائق الألمنيوم المغطى بفيلم مزدوج الانتقاء ( ) كدليل على الفكرة، مقارنةً بصناديق رقائق الألمنيوم المغطاة بالطلاء الأبيض والمكشوفة (الصورة المرفقة لصناديق رقائق الألمنيوم لقياس درجة الحرارة). تم توفير بيانات المصدر كملف بيانات المصدر. تشير النتائج إلى أن جهاز الإشعاع الحراري الثنائي الانتقائي المصمم له أداء محسّن في التبريد الإشعاعي خلال النهار مقارنةً بالأجهزة الأحادية الانتقائية وغير الانتقائية في السيناريوهات الواقعية، خاصة في المناخات الجافة، وهو ما يتوافق بشكل جيد مع التحليل النظري (النص التكميلي 12).
لتقييم أداء التبريد لمصادر الحرارة الثنائية الانتقائية في التطبيقات العملية (مثل مواد البناء، على سبيل المثال)، تم استخدام عدة مواد تسقيف تجارية نموذجية للمقارنة مع POM-PTFE-Al ثنائي الانتقائية في يوم جاف ومشمس.شمسي )، بما في ذلك الأسفلت الأسود، لوح الصلب الملون (الأبيض)، الطلاء الأبيض، ورقائق الألمنيوم العارية. كما هو موضح في الشكل 4c والأشكال التكميلية 36 و37، تم تغطية/طلاء POM-PTFE-Al الانتقائي المزدوج والطلاء الأبيض على سطح أسفلت أسود تجاري ( ) وتم وضعها مع أسفلت أسود غير مغطى، ورق الألمنيوم، ولوح فولاذ ملون مموج (، كخلفية) على سطح مفتوح. سطحهم تم تقديم درجة الحرارة بصريًا وتسجيلها باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء (Testo). أظهرت النتائج أن العينة ذات الاختيار المزدوج كانت لديها أدنى درجة حرارة سطحية بين هذه العينات، وكانت تقريبًا، و أقل من تلك الخاصة بالأسفلت الأسود المكشوف، وسقف الصلب الملون (الأبيض)، والدهان الأبيض، ورقائق الألمنيوم المطلية بالدهان الأبيض، على التوالي (الشكل 4d، الأشكال التكميلية 38 و39، والفيلم التكميلية 3)، مما يشير نوعياً إلى قدرة تبريد أعلى من هذه المواد التجارية للأسطح.
من الجدير بالذكر أن أداء التبريد بين عينة رقائق الألمنيوم والعينات ذات الانتقائية المزدوجة لا يمكن الحكم عليه من خلال الصور الحرارية فقط. وذلك لأن عينة رقائق الألمنيوم، التي تعتبر عاكسًا حراريًا جيدًا، لديها انبعاث حراري أقل بكثير من العينات الأخرى للأسطح (تعتمد ألوان الصورة الحرارية على كل من درجة حرارة السطح والانبعاث الحراري). مع وضع ذلك في الاعتبار، تم إجراء تجربة نموذجية تشبه المباني باستخدام صندوق مغطى برقائق الألمنيوم (صندوق كرتوني مغطى برقائق الألمنيوم، بسماكة 0.6 سم) (الشكل 4e). على وجه التحديد، تم استخدام ثلاثة من رقائق الألمنيوم. صناديق الألمنيومتم وضعها في سيناريو خارجي جاف ومشمس، وتم قياس درجات الحرارة داخل الصناديق في الوقت الحقيقي باستخدام الثيرموكوبلات (غير مغطاة، مغطاة بعينة ثنائية الانتقاء ومطلية باللون الأبيض، على التوالي).شمسي، الأشكال التكميلية 40 و 41). ونتيجة لذلك، مقارنةً بصندوق رقائق الألمنيوم العاري والصندوق المطلي بالأبيض، تنخفض درجة الحرارة داخل الصندوق المغطى بالعينة ذات الانتقائية المزدوجة بـ (الشكل 4e والشكل التكميلي 42)، مما يعني توفيرًا متوقعًا يصل إلى من إجمالي استهلاك الطاقة في المبنى، مما يدل على تفوقه كمواد بناء موفرة للطاقة. تظهر هذه النتائج العملية العالية للمنبع الحراري الثنائي الانتقائية في البيئات الحقيقية.
توافق الألوان
بالإضافة إلى الحاجة إلى التبريد، غالبًا ما يُطلب من مواد RC أن تكون متعددة الوظائف في التطبيقات العملية، على سبيل المثال، من المتوقع أن تكون متعددة الألوان لتلبية المتطلبات الجمالية. عادةً ما يكون لون معظم مواد RC النهارية التي تم الإبلاغ عنها سابقًا أبيض أو فضي ممل. يؤدي إضافة الأصباغ الملونة التقليدية عادةً إلى ضعف ملحوظ أو حتى فقدان تأثيرها التبريدي بسبب الامتصاص في نطاق الموجات المرئية، وهو عامل رئيسي يحد من تطبيقاتها.توفر الباعثات ذات الانتقاء المزدوج أداءً محسنًا في التبريد مقارنةً بالباعثات ذات الانتقاء الأحادي والباعثات غير الانتقائية (خصوصًا في المناخات الجافة) ومن المفترض أن تتمتع بتوافق متعدد الوظائف أفضل، بما في ذلك التوافق اللوني.
كنموذج لإثبات الفكرة، تم استخدام تصميم ثلاثي الطبقات سهل لتلوين مادة POM-PTFE-AI ذات الانتقائية المزدوجة (المعلمة كمنبعث مزدوج الانتقائية الملون)، والتي تم إعدادها عن طريق تغطية فيلم البولي إيثيلين الملون مباشرة على سطح POM-PTFE-Al (الشكل 5أ). كانت أفلام البولي إيثيلين الملونة الشفافة (، الشكل 5b والأشكال التكميلية 43 و44) متاحة تجارياً، وغير مكلفة، وغير ضارة، وشفافة للحرارة، ويمكن أن تحسن من قوة الشد للمنبعثات الحرارية الملونة (الشكل التكميلية 21 والجدول التكميلية 3). يمكن لصق أفلام PE بسهولة على الأفلام ذات الانتقائية المزدوجة عن طريق الضغط الساخن أو اللحام النقطي.آلية التبريد هي أن الفيلم الملون من البولي إيثيلين (الأعلى) يوفر اللون المطلوب (يعكس الضوء المرئي في نطاق موجي محدد)، بينما يوفر الفيلم الثنائي الانتقائية (الأسفل) انعكاسية عالية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) وخصائص ثنائية الانتقائية في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR) (الشكل 5a). من الواضح أن اللون والحجم المطلوبين للمنبعث الملون الثنائي الانتقائية يمكن تحقيقهما بسهولة بهذه الاستراتيجية. الشكل 5c يظهر ثلاثة أحجام كبيرة من المنبعثات الملونة الثنائية الانتقائية. ) بالأحمر والأصفر والأزرق، على التوالي. على الرغم من أن توافق الألوان يؤدي حتمًا إلى بعض فقدان أداء التبريد بسبب انخفاض الانعكاسية الشمسية ( تظهر الحسابات النظرية أن التبريد تحت المحيط يمكن أن يتحقق حتى مع انخفاضمنلجهاز انبعاث حراري مزدوج الانتقاء تحت ضوء الشمس الساطع ) (الشكل 5d والشكل التكميلي 45)، مما يدل على توافق لوني عالٍ.
باستخدام المصادر الملونة ذات الانتقاء المزدوج المستندة إلى الألوان الأساسية الثلاثة (الأحمر والأصفر والأزرق، على التوالي، الشكل التوضيحي 46) كمثال، فإن جميع المصادر الملونة الثلاثة تتمتع بانعكاسية عالية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.، الشكل 5e، f) ولا تزال تحتفظ بخصائصها الانتقائية المزدوجة في نطاق موجات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (الشكل التوضيحي 47)، مما يشير إلى أن تصميم الطبقات الثلاثة قابل للتطبيق لتحقيق التبريد الإشعاعي الملون. بالإضافة إلى ذلك، كانت عكسية الشمس للعينات الحمراء والصفراء والزرقاء ، و على التوالي (الشكل 5f). من بين هذه العينات، كانت الانعكاسية الشمسية للعينات الحمراء والصفراء أكثر من، والذي كان من المتوقع أن يحقق تبريدًا دون مستوى البيئة وتم إثباته من خلال قياس حراري (الشكل 5g). بشكل محدد، في يوم جاف ومشمس (شمسي، و في بكين، أظهرت العينات الحمراء والصفراء انخفاضًا في درجة الحرارة دون المحيط و على التوالي (الشكل 5h و i والأشكال التكميلية 48 و 49).
علاوة على ذلك، اختبارات كاميرا الأشعة تحت الحمراء في بيئة مماثلة (RHشمسي، و الشكل 5j (يسار) و
أظهرت الأشكال التكميلية 50 و 51 أن الباعث الثنائي الانتقائي الأصفر المغطى بالأسفلت الأسود كان له درجة حرارة سطحية منأقل من الأسفلت الأبيض المطلي باللون الأبيض المغطى بـ PE الأصفر (يمين الشكل 5j وفيلم إضافي 4)، مما يدل على الأداء العالي للتبريد للمنبعثات الثنائية الانتقائية الملونة. يمكن استخلاص نفس الاستنتاج من قياس الأشعة تحت الحمراء لعينة ثنائية الانتقائية زرقاء (النص الإضافي 13، الأشكال الإضافية 52 و53، وفيلم إضافي 5). تظهر هذه النتائج التوافق العالي للألوان للـ POM-PTFE-Al ثنائي الانتقائية، وبالتالي عملية عالية في السيناريوهات الحقيقية.
نقاش
لقد أظهرنا نموذج RC ثنائي الانتقائية لاستغلال إمكانيات التبريد لمواد RC حيث أن لديها أداء تبريد أفضل بشكل ملحوظ من النماذج الأحادية الانتقائية وغير الانتقائية الموجودة في الظروف الحقيقية، خاصة في المناخات الجافة. كدليل على المفهوم، تم تصنيع منبعث حراري ثنائي الانتقائية POM-PTFE-Al قابل للتوسع بناءً على النموذج أعلاه. يظهر انبعاثًا انتقائيًا عاليًا في كل من النافذة الجوية الأولى ( ) والثانية ( )، وانعكاسية عالية في نطاقات موجات MIR غير النافذة المتبقية، وانعكاسية شمسية عالية ( )، ومتانة عالية. بسبب الخصائص الثنائية الانتقائية المرغوبة، يظهر المنبعث الحراري POM-PTFE-Al ثنائي الانتقائية قدرة تبريد تحت البيئة النهارية تفوق تلك الخاصة بالمنبعثات الحرارية التقليدية الموجودة ( مبرد) تحت ضوء الشمس القوي ( ). أظهرت الأسطح المعتمدة على العينة ثنائية الانتقائية تأثير تبريد متفوق على تلك الخاصة بالأسطح التجارية الشائعة. علاوة على ذلك، عند التوافق مع الألوان المتعددة، يمكن تحقيق التبريد تحت البيئة بواسطة العينات الملونة. يوفر هذا العمل تصميمًا قابلًا للتوسع للتبريد السلبي الموثوق في الظروف الحقيقية، مما يمهد الطريق لإدارة حرارية موفرة للطاقة من الجيل التالي.
طرق
تصنيع أفلام POM-PTFE وPOM وPVDF المنسوجة كهربائيًا
بالنسبة لفيلم POM-PTFE المنسوج كهربائيًا، تم إعداد محلول POM من -هيكسافلورو-2-بروبانول (HFIP، 99%، العلّين) أولاً عن طريق إضافة مسحوق POM (درجة تجارية، العلّين) إلى مذيب HFIP ثم التحريك المستمر لمدة ساعة واحدة عند . ثم تمت إضافة جزيئات PTFE الدقيقة (، DUPONT) إلى محلول POM وتم تشكيل تعليق متجانس عن طريق الصوتنة (1 ساعة) والتحريك المستمر (طوال الليل). بعد ذلك، تم نسج المحلول باستخدام إبرة قياس 20 عند جهد 15 كيلو فولت، ومعدل تغذية قدره ، ومسافة دوران 18 سم. تم الحفاظ على الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة أثناء الدوران أقل من و، على التوالي. تم تغطية فيلم POM-PTFE المنسوج كهربائيًا (، نسبة كتلة POM إلى PTFE 7:3) على ورق الألمنيوم واستخدم كمنبعث حراري ثنائي الانتقائية. تم الحصول على أفلام POM بنفس الطريقة دون إضافة جزيئات PTFE الدقيقة. تم إعداد أفلام PVDF باستخدام طريقة النسج الكهربائي المبلغ عنها سابقًا. على وجه التحديد، تمت إضافة مسحوق PVDF (Mv ~370000، كينار) إلى مذيب مختلط () من ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF، 99%، العلّين) والأسيتون (AR، تونغوانغ) لإنتاج محلول PVDF بعد التحريك المستمر عند لمدة 5 ساعات. تم نسج الخليط الناتج باستخدام إبرة قياس 19 عند جهد 12 كيلو فولت، ومعدل تغذية قدره ، ومسافة دوران 20 سم، ورطوبة نسبية قدرها ، ودرجة حرارة دوران قدرها .
توصيف الشكل
تم التقاط صور بصرية للعينات باستخدام هاتف Honor (Play5T). تم توصيف الميكروهيكل للمنبعثات الحرارية بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (JSM7401F، JEOL Ltd.، اليابان).
توصيف الطيف
تم توصيف الاستجابات الطيفية للمنبعثات الحرارية في الطيف الشمسي ونطاقات موجات MIR .
الشكل 5 | توافق الألوان للـ POM-PTFE-AI ثنائي الانتقائية. أ آلية التبريد للمنبعث الحراري ثنائي الانتقائية الملون، يتكون من PE الملون التجاري (الأعلى) وفيلم ثنائي الانتقائية (الأسفل). يعكس PE الملون الضوء المرئي بشكل انتقائي للحصول على اللون المرغوب. الفيلم ثنائي الانتقائية المغطى على ورق الألمنيوم يعكس أي ضوء شمس يمر عبر الطبقة العليا ويشع الحرارة للخارج. ب، ج صورة لـ PE الملون التجاري ( القضبان المقياسية = 10 سم (الأعلى) و5 سم (الأسفل)) ومنبعثات حرارية ملونة مصممة بطبقتين (ج أحمر (الأعلى)، أصفر (الوسط)، وأزرق (الأسفل)، القضبان المقياسية ). د القدرة النظرية للتبريد لمنبعث حراري ثنائي الانتقائية كدالة لدرجة حرارة البيئة لعدة . يمكن تحقيق التبريد تحت البيئة حتى مع انخفاض قدره لمنبعث ثنائي الانتقائية، مما يدل على توافق لوني عالي. طيف الانعكاسية الشمسية والانعاكاسية المتوسطة المقابلة للأحمر والأصفر والأزرق
مبرد، على التوالي. ج-ي قياس حراري للمنبعث POM-PTFE-Al الملون في بكين، الصين (RH يناير 2023). على وجه التحديد، صورة لجهاز القياس الحراري (ج، القضبان المقياسية ); قياسات درجة الحرارة في الوقت الحقيقي ودرجة الحرارة المتوسطة المقابلة للمنبعثات الحرارية الملونة الثلاثة المختلفة من الساعة 10:00 صباحًا إلى 12:00 مساءً. اختبار الأداء الفعلي للتبريد الخارجي للمنبعث الحراري ثنائي الانتقائية الأصفر المغطى بالأسفلت في بكين، الصين (RH يناير 2023) مقارنة بفيلم PE الأصفر المغطى بالأسفلت الأبيض المطلي، بما في ذلك صورتهم (يسار) وصور الأشعة تحت الحمراء (يمين). القضبان المقياسية . تشير القضبان الخطأ في إلى تباينات القياس للعينات في أوقات مختلفة (تم قياسها بفواصل دقيقة من الساعة 10:30 صباحًا إلى 12:00 مساءً) وتظهر المتوسط . تم توفير بيانات المصدر كملف بيانات مصدر.
بشكل منفصل. تم تسجيل الأول باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية-visible-nearinfrared (UV-vis-NIR) (Cary 7000، Agilent) مزود بنموذج كرة متكاملة (Internal DRA-2500، Agilent، كبريتات الباريوم كمادة أساسية). تم تسجيل الثاني باستخدام
مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR، INVENIO، Bruker) مزود بكرة متكاملة من الذهب (A562، Bruker، الذهب كمادة أساسية) ووحدة انعكاس إجمالي مخفف (ATR، الماس كمادة أساسية).
حساب الانعكاسية الشمسية والانبعاثية في MIR
المعادلة لحساب الانعكاسية الشمسية المتوسطة (، ) للعينة هي
حيث هو طيف ASTMG173-03 AM1.5 Global Tilt. هو الانعكاسية الطيفية المقاسة للعينة. بالمثل، المعادلة لحساب الانبعاثية المتوسطة في النافذة الجوية الأولى ( ) للعينة هي
الانبعاثية المتوسطة في النافذة الجوية الثانية (، ) هي
حيث و هما شدة إشعاع الجسم الأسود والانبعاثية الطيفية المقاسة للعينة، على التوالي ( هو الطول الموجي). يمكن حساب من
حيث و هي سرعة الضوء ( )، وثابت بلانك المخفض ( )، وثابت بولتزمان ( )، على التوالي.
اختبار التعرض للأشعة فوق البنفسجية
تم تقييم أداء التعرض المكثف للأشعة فوق البنفسجية عن طريق تعريض فيلم POM-PTFE ثنائي الانتقائية لمصدر ضوء UV (فيليبس، ). تم اختبار الاستجابة الطيفية بعد كل 100 ساعة من التعرض المكثف المستمر للأشعة فوق البنفسجية.
اختبار ميكانيكي
تم اختبار قوة الشد للعينات (عرض 2 سم، طول 10 سم) بواسطة آلة اختبار الشد Servo (HZ-1004A) باستخدام مقياس بمسافة 6 سم ومعدل إزاحة قدره .
اختبار مقاومة الماء
تم تعويم فيلم POM-PTFE ثنائي الانتقائية () أولاً على ماء الصنبور غير المتدفق (في خزان دائري، قطره 10 سم) لمدة 6 ساعات، ثم تم جعل الماء يتدفق بواسطة التحريك المغناطيسي لمدة 6 ساعات أخرى. تم تقييم مقاومة الماء للعينة من خلال القياسات البصرية والطيفية قبل وبعد معالجة الماء. تم أيضًا قياس زاوية تماس الماء للعينة باستخدام محلل زاوية التماس (XG-CAMA1) في بيئة ثابتة (درجة حرارة ، رطوبة 45%).
اختبار التعرض الخارجي
تم إجراء اختبار المتانة على المدى الطويل في الظروف الحقيقية عن طريق تعريض فيلم POM-PTFE ثنائي الانتقائية باستمرار في سقف مفتوح خارجي لجامعة تسينغوا (بكين، الصين) مع تعرض مباشر للسماء لمدة 5 أشهر (سبتمبر 2022 إلى فبراير 2023). تم اختبار الاستجابة الطيفية بعد كل شهر من التعرض الخارجي المستمر.
قياسات حرارية
اختبار أداء التبريد تحت البيئة. تم تقييم تأثيرات التبريد تحت البيئة للعينات المختلفة باستخدام الأجهزة المكونة من عينة، ورق الألمنيوم، ورغوة عازلة محيطة. ومزدوج حراري من النوع K (كما هو موضح في الشكل 3 أ، ب). تم استخدام ورق الألمنيوم والرغوة في أجهزة الاختبار لتقليل تأثير الحرارة المحيطة، وهي طريقة شائعة الاستخدام في الأعمال السابقة. تم استخدام مزدوجات حرارية من النوع K لمراقبة درجة حرارة العينة في الوقت الحقيقي، والتي تم معايرتها بعناية لضمان أن الفرق بين درجات الحرارة المقاسة ناتج بشكل أساسي عن الفرق بين العينات. تم قياس وتسجيل الظروف البيئية في الوقت الحقيقي (بما في ذلك الرطوبة النسبية، وسرعة الرياح، ودرجة الحرارة المحيطة) خلال القياسات الحرارية بواسطة محطة الطقس (NK5500، كستريل) الواقعة بجوار أجهزة الاختبار. تم قياس وتسجيل الطاقة الشمسية المدخلة بواسطة مقياس طاقة شمسية مسجل للبيانات (TES-1333R) الواقع بجوار أجهزة الاختبار.
اختبار القدرة على التبريد الصافي. تم قياس القدرة على التبريد الصافي للعينات باستخدام جهاز مشابه لذلك المستخدم في الاختبار الحراري أعلاه، مع إضافة نظام تسخين ذكي (كما هو موضح في الشكل 4a). يتكون النظام بشكل رئيسي من مصدر طاقة تيار مستمر (ARRAY، 3645 A)، وسخان كابتون، ومقياس طاقة (Chroma، 66205)، وجهازي تحكم في درجة الحرارة (Omron)، وأجهزة استشعار حرارية من نوع K. كان النظام قادرًا على تنظيم قدرة التسخين في الوقت الحقيقي (مسخن بواسطة مصدر تيار مستمر يعمل بسخان كابتون) لضمان نفس درجة الحرارة بين العينة والهواء المحيط، وتم تسجيل قدرة التسخين المقابلة بواسطة مقياس طاقة رقمي. هذه القدرة على التسخين تعادل القدرة على التبريد للعينة.
قياسات أداء التبريد الخارجي الحقيقي
بالنسبة للمنبعث الحراري الثنائي الانتقائية. تم اختبار الأداء الفعلي للتبريد الخارجي للمنبعث الحراري الثنائي الانتقائية في بيئة خارجية جافة. ) من بكين، الصين (سقف مفتوح لجامعة تسينغhua، هـ). تم استخدام عدة مواد تسقيف تجارية نموذجية للمقارنة مع العينة ذات الاختيار المزدوج، بما في ذلك سقف من الصلب الملون (أبيض، كخلفية)، وأسفلت أسود غير مغطى ( )، وتم تغطية الأسفلت الأسود (الألمنيوم المغطى، الفيلم الثنائي الانتقائي المغطى، الطلاء الأبيض المغطى بالألمنيوم، والطلاء الأبيض المغطى، على التوالي). تم مراقبة درجات حرارة سطح هذه العينات باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء (Testo 890، 31 يناير 2023). تم قياس درجات الحرارة الداخلية للصناديق المغطاة بالفيلم الثنائي الانتقائي، والصناديق المغطاة بالطلاء الأبيض، وصناديق الألمنيوم غير المغطاة ( تم تسجيلها باستخدام مجسات حرارية من النوع K (29 مارس 2023).
للعينة الملونة ذات الاختيار المزدوج. تم تغطية فيلم PE أصفر على أسفلت تجاري أسود مطلي باللون الأبيض. ) وتم استخدامه للمقارنة مع فيلم ثنائي الانتقائية باللون الأصفر مغطى على أسفلت أسود بنفس الحجم. تم مراقبة درجات حرارة سطحها باستخدام نفس الكاميرا الحرارية كما في الاختبار السابق على سطح مفتوح في جامعة تسينغhua (31 يناير 2023). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء قياس حراري مماثل لفيلم ثنائي الانتقائية باللون الأزرق في ظروف بيئية مماثلة كإثبات للمفهوم (8 أكتوبر 2023).
ملخص التقرير
معلومات إضافية حول تصميم البحث متاحة في ملخص تقارير مجموعة نيتشر المرتبط بهذه المقالة.
توفر البيانات
تم توفير بيانات المصدر في هذه الورقة. تم إيداع ملف بيانات المصدر في Figshare تحت رابط الوصول (https://doi.org/10. 6084/m9.figshare.23686743). تم توفير بيانات المصدر في هذه الورقة.
References
Raman, A. P., Anoma, M. A., Zhu, L., Rephaeli, E. & Fan, S. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature 515, 540-544 (2014).
Rephaeli, E., Raman, A. & Fan, S. Ultrabroadband photonic structures to achieve high-performance daytime radiative cooling. Nano Lett. 13, 1457-1461 (2013).
Yin, X., Yang, R., Tan, G. & Fan, S. Terrestrial radiative cooling: using the cold universe as a renewable and sustainable energy source. Science 370, 786-791 (2020).
Tang, K. et al. Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation. Science 374, 1504-1509 (2021).
Chen, Z., Zhu, L., Raman, A. & Fan, S. Radiative cooling to deep subfreezing temperatures through a 24 -h day-night cycle. Nat. Commun. 7, 13729 (2016).
Zhao, D. et al. Subambient cooling of water: toward real-world applications of daytime radiative cooling. Joule 3, 111-123 (2019).
Fan, S. & Li, W. Photonics and thermodynamics concepts in radiative cooling. Nat. Photonics 16, 182-190 (2022).
Goldstein, E. A., Raman, A. P. & Fan, S. Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the sky. Nat. Energy 2, 17143 (2017).
Mandal, J. et al. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling. Science 362, 315-318 (2018).
Zeng, S. et al. Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling. Science 373, 692-696 (2021).
Kou, J.-l, Jurado, Z., Chen, Z., Fan, S. & Minnich, A. J. Daytime radiative cooling using near-black infrared emitters. ACS Photonics 4, 626-630 (2017).
Li, T. et al. A radiative cooling structural material. Science 364, 760-763 (2019).
Wang, X. et al. Scalable flexible hybrid membranes with photonic structures for daytime radiative cooling. Adv. Funct. Mater. 30, 1907562 (2019).
Zhou, L. et al. A polydimethylsiloxane-coated metal structure for allday radiative cooling. Nat. Sustain. 2, 718-724 (2019).
Zhai, Y. et al. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling. Science 355, 1062-1066 (2017).
Zhu, R. et al. Plasmon-enhanced infrared emission approaching the theoretical limit of radiative cooling ability. Nano Lett. 20, 6974-6980 (2020).
Wang, T. et al. A structural polymer for highly efficient all-day passive radiative cooling. Nat. Commun. 12, 365 (2021).
Zhu, B. et al. Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk. Nat. Nanotechnol. 16, 1342-1348 (2021).
Li, J. et al. Protecting ice from melting under sunlight via radiative cooling. Sci. Adv. 8, eabj9756 (2022).
Li, D. et al. Scalable and hierarchically designed polymer film as a selective thermal emitter for high-performance all-day radiative cooling. Nat. Nanotechnol. 16, 153-158 (2021).
Yin, H. Y., Yao, H. W., Jia, Y. L., Wang, J. Q. & Fan, C. Z. Realization of efficient radiative cooling in thermal emitter with inorganic metamaterials. J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 345501 (2021).
Lin, C. et al. A solution-processed inorganic emitter with high spectral selectivity for efficient subambient radiative cooling in hot humid climates. Adv. Mater. 34, e2109350 (2022).
Zhang, X. et al. A moisture-wicking passive radiative cooling hierarchical metafabric. ACS Nano 16, 2188-2197 (2022).
Zhao, D. L. et al. Radiative sky cooling: Fundamental principles, materials, and applications. Appl. Phys. Rev. 6, 997-1015 (2019).
Li, W., Shi, Y., Chen, Z. & Fan, S. Photonic thermal management of coloured objects. Nat. Commun. 9, 4240 (2018).
Chen, Y. et al. Colored and paintable bilayer coatings with high solar-infrared reflectance for efficient cooling. Sci. Adv. 6, eaaz5413 (2020).
Wang, X. Y. et al. Sub-ambient full-color passive radiative cooling under sunlight based on efficient quantum-dot photoluminescence. Sci. Bull. 67, 1874-1881 (2022).
Sun, X. S., Sun, Y. B., Zhou, Z. G., Alam, M. A. & Bermel, P. Radiative sky cooling: fundamental physics, materials, structures, and applications. Nanophotonics 6, 997-1015 (2017).
Zou, C. J. et al. Metal-loaded dielectric resonator metasurfaces for radiative cooling. Adv. Opt. Mater. 5, 1700460 (2017).
Wang, L., Zheng, Z. H., Gou, Y. C., Liang, W. W. & Yu, W. Fabry-Perot resonance assisted dual-layer coating with enhanced wavelengthselective refection and emission for daytime radiative cooling. Opt. Commun. 483, 126673 (2021).
Yuan, J. C., Yin, H. L., Yuan, D., Yang, Y. J. & Xu, S. Y. On daytime radiative cooling using spectrally selective metamaterial based building envelopes. Energy 242, 122779 (2022).
Lesk, C. et al. Compound heat and moisture extreme impacts on global crop yields under climate change. Nat. Rev. Earth Env. 3, 872-889 (2022).
Lesk, C. et al. Stronger temperature-moisture couplings exacerbate the impact of climate warming on global crop yields. Nat. Food 2, 683-691 (2021).
Chen, M., Pang, D., Chen, X., Yan, H. & Yang, Y. Passive daytime radiative cooling: fundamentals, material designs, and applications. EcoMat 4, e12153 (2021).
Lord, S. D. in In NASA Technical Memorandum. 103957 (NASA).
Nellis, G. F., Klein, S. A., Nellis, G. & Klein, S. Natural Convection. (2009).
Awbi, H. B. & Hatton, A. Natural convection from heated room surfaces. Energy Build. 30, 233-244 (1999).
Behera, S. K., Park, S. Y. & Gierschner, J. Dual emission: classes, mechanisms, and conditions. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 22624-22638 (2021).
Jiang, L. et al. Large Stokes shift fluorescent RNAs for dual-emission fluorescence and bioluminescence imaging in live cells. Nat. Methods 20, 1563-1572 (2023).
Liu, X. et al. Taming the blackbody with infrared metamaterials as selective thermal emitters. Phys. Rev. Lett. 107, 045901 (2011).
Tang, X., Ackerman, M. M., Chen, M. L. & Guyot-Sionnest, P. Dualband infrared imaging using stacked colloidal quantum dot photodiodes. Nat. Photonics 13, 277-283 (2019).
Zheng, H. Q. et al. Photo-stimuli-responsive dual-emitting luminescence of a spiropyran-encapsulated metal-organic framework for dynamic information encryption. Adv. Mater. 35, 2300177 (2023).
Hu, D. W. & Gu, Y. A membrane reflector, polymer hybrid infrared emitter for better radiative cooling performance. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 234, 111417 (2022).
Liang, J. et al. Radiative cooling for passive thermal management towards sustainable carbon neutrality. Natl. Sci. Rev. 10, nwac208 (2023).
Zhou, Z., Wang, X., Ma, Y., Hu, B. & Zhou, J. Transparent polymer coatings for energy-efficient daytime window cooling. Cell Rep. Phys. Sci. 1, 100231 (2020).
Aili, A. et al. Selection of polymers with functional groups for daytime radiative cooling. Mater. Today Phys. 10, 100127 (2019).
Kennedy, E. R. & Ashley, K. Fourier-transform infrared spectrometry attenuated total reflectance study of the reaction of pentanal and propanal with 2-(Hydroxymethyl) Piperidine. Appl. Spectrosc. 46, 266-272 (1992).
Zhang, H. et al. Comparative study on the mechanical, tribological, and thermal properties of POM composites filled with different PTFE. J. Thermoplast. Compos. 35, 1319-1341 (2022).
Wu, X. et al. An all-weather radiative human body cooling textile. Nat. Sustain. 6, 1446-1454 (2023).
Bognitzki, M. et al. Nanostructured fibers via electrospinning. Adv. Mater. 13, 70-72 (2001).
Lu, J. W. et al. High-elongation fiber mats by electrospinning of polyoxymethylene. Macromolecules 41, 3762-3764 (2008).
Kongkhlang, T. et al. Electrospun polyoxymethylene: spinning conditions and its consequent nanoporous nanofiber. Macromolecules 41, 4746-4752 (2008).
Song, J. N. et al. Durable radiative cooling against environmental aging. Nat. Commun. 13, 4805 (2022).
Hsu, P. C. et al. Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science 353, 1019-1023 (2016).
Peng, Y. & Cui, Y. Advanced textiles for personal thermal management and energy. Joule 4, 724-742 (2020).
Dong, Y. et al. “Warm in Winter and Cool in Summer”: scalable biochameleon inspired temperature-adaptive coating with easy preparation and construction. Nano Lett 23, 9034-9041 (2023).
Lin, K.-T. et al. Highly efficient flexible structured metasurface by roll-to-roll printing for diurnal radiative cooling. eLight 3, 22 (2023).
شكر وتقدير
يقر R.Z. بالدعم من البرنامج الوطني الرئيسي للبحث والتطوير في الصين (2020YFA0210702، 2020YFC2201103)، ومؤسسة تونغتشنغ للبحث والتطوير، وصندوق البحث المشترك بين تسينغوا وتويوتا، ومؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (22075163، 51872156، 62134009، 62121005). ويقر W.L. بالدعم من مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (62134009 و62121005).
مساهمات المؤلفين
R.Z. و Xue.W. وضعا الفكرة. صممت Xue.W. النماذج والتجارب. قام Xue.W. و F.X. و W.L. بأعمال النمذجة. قامت Xue.W. بإعداد المواد وتوصيفها بمساعدة J.Z. و J.L. و Y.Zhang و Xun.W. و S.Zhao و Q.J. و S.Zhang و B.W. و Y.L. و D.G. و R.L. و F.W. و Y.H. و Y.Zhao. كتبت Xue.W. المخطوطة. أشرف R.Z. على المشروع. قدم جميع المؤلفين المناقشات والتعليقات.
المصالح المتنافسة
يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.
معلومات إضافية
معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على المواد التكميلية متاحة على https://doi.org/10.1038/s41467-024-45095-4. يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى روفان زانغ.
تُعرب مجلة Nature Communications عن شكرها لداسول لي والمراجعين الآخرين المجهولين على مساهمتهم في مراجعة هذا العمل. يتوفر ملف مراجعة الأقران.
معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة على http://www.nature.com/reprints ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
مختبر بكين الرئيسي لهندسة وتكنولوجيا التفاعلات الكيميائية الخضراء، قسم الهندسة الكيميائية، جامعة تسينغhua، بكين، الصين. المختبر الوطني للهياكل الدقيقة للحالة الصلبة، كلية الهندسة والعلوم التطبيقية، مختبر جيانغسو الرئيسي للمواد الوظيفية الاصطناعية، مركز الابتكار التعاوني للهياكل الدقيقة المتقدمة، جامعة نانجينغ، نانجينغ، الصين.مختبر جي بي إل للبصريات، المختبر الوطني الرئيسي للتألق والتطبيقات، معهد تشانغتشون للبصريات والميكانيكا الدقيقة والفيزياء، الأكاديمية الصينية للعلوم، تشانغتشون، جيلين، جمهورية الصين الشعبية.المختبر الرئيسي للإلكترونيات العضوية والهندسة الجزيئية بوزارة التعليم، قسم الكيمياء، جامعة تسينغhua، بكين، جمهورية الصين الشعبية.البريد الإلكتروني: zhangrufan@tsinghua.edu.cn
Radiative cooling is a zero-energy technology that enables subambient cooling by emitting heat into outer space ( ) through the atmospheric transparent windows. However, existing designs typically focus only on the main atmospheric transparent window ( ) and ignore another window ( ), under-exploiting their cooling potential. Here, we show a dualselective radiative cooling design based on a scalable thermal emitter, which exhibits selective emission in both atmospheric transparent windows and reflection in the remaining mid-infrared and solar wavebands. As a result, the dual-selective thermal emitter exhibits an ultrahigh subambient cooling capacity ( ) under strong sunlight, surpassing existing typical thermal emitters ( cooler) and commercial counterparts (as building materials). Furthermore, the dual-selective sample also exhibits high weather resistance and color compatibility, indicating a high practicality. This work provides a scalable and practical radiative cooling design for sustainable thermal management.
The last decade has witnessed a tremendous development in the daytime radiative cooling (RC), which achieves subambient cooling under sunlight without any energy consumption and greenhouse gas emissions . It is therefore a promising and sustainable alternative to traditional energy-intensive cooling systems. The subambient cooling capability of a daytime RC material stems from its ability to emit heat (as a thermal emitter) into cold outer space through the atmospheric transparent windows, while rejecting the solar irradiation (with high solar reflectance) at the same time . Various efficient thermal emitters have been developed as daytime RC materials for building and personal thermal management . According to the spectral
response in the mid-infrared (MIR) waveband, these thermal emitters can be mainly categorized into non-selective thermal emitters and selective thermal emitters . The non-selective thermal emitters exhibit high absorption/emission over the entire MIR wavebands (Fig. 1a (top), b), while the selective thermal emitters exhibit a high absorption/emission only in the atmospheric window (defined as mono-selective RC materials) and a high reflection in the remaining MIR wavebands (Fig. 1a (middle), b and Supplementtary Fig. 1a).
Compared with non-selective thermal emitters, selective thermal emitters have previously been demonstrated to have superior cooling
Fig. 1 | Conceptual explanation and model calculations of dual-selective radiative cooler. a Schematic of the radiative heat transfer process of a nonselective (top), a mono-selective (middle), and a dual-selective (bottom) radiative cooler. Corresponding spectral features in the mid-infrared region for the three different types of RC models. The backgrounds are the atmospheric transmissivity of arid, sub-humid, and humid climates, respectively. The dual-selective RC model is featured with high absorption/emission occurring only within the two atmospheric windows and high reflectance outside the two windows, including solar and non-window MIR wavebands. Atmosphere transmittance data were generated using the ATRAN modeling software in the waveband. c Theoretical cooling power of these three different radiative coolers as a function of the emitter temperature at a fixed of (for the detailed calculation equations, see
Supplementary text 1). The theoretical limit of subambient cooling is reached when the cooling power reaches zero (the intersection of the curve with the -axis). The calculation is based on the atmospheric transmittance in an arid environment (relative humidity , blue in c ) and the non-radiative heat transfer coefficient of (solid lines) and 4 (dashed lines) Comparison of the theoretical cooling power between dual-selective, mono-selective, and non-selective radiative coolers at different to . The calculation is based on the same atmospheric transmittance with and the same temperature between the thermal emitter and the . e Theoretical limit of subambient cooling of the three types of radiative coolers at different . The calculation is based on a net cooling power of and . Source data are provided as a Source Data file.
performance due to the exclusion of downward atmospheric parasitic heat . However, existing mono-selective RC materials only exhibit superior cooling performance in ideal or near-ideal outdoor scenarios, where non-radiative heat can be neglected (Fig. 1c-e and Supplementary Fig. 2). In most real scenarios (with a non-radiative heat transfer coefficient ), the cooling performance of the mono-selective emitters usually sharply degrades and even becomes worse than that of the non-selective emitters (Fig. 1e and Supplementary Fig. 3). Obviously, the cooling effect of mono-selective emitters is more easily to be compromised by non-radiative heat because of its lower cooling power than the non-selective emitters ( lower, Supplementary Fig. 4), which limits their practical applications (e.g., low color compatibility) .
Actually, in addition to the widely known atmospheric transparent window in the waveband, there is also an atmosphere transparent window in the waveband (defined as the second atmospheric window), especially in arid climates (Fig. 1a and Supplementary Fig. 5) . As is known, there are increasingly urgent cooling demands in hot arid areas or seasons throughout the world . However, the cooling effect of the second atmospheric window is often overlooked in most previous studies because its atmospheric transparency decreases with increasing humidity due to the strong heat absorption by water in this waveband . To date, there is still a lack of explicit theoretical research and material design for the second atmospheric window, which limits the cooling potential of RC materials, especially in arid climates.
Here, we show a dual-selective RC design based on a scalable polymer-metal thermal emitter that achieves selective heat emission in
both the first and second atmospheric transparent windows, enabling enhanced radiative cooling performance over existing typical thermal emitters. Crucially, the resulting dual-selective thermal emitter exhibits an emittance of in the first atmospheric window ( ), an emittance of in the second window ( ), and a high reflectance in the remaining MIR and solar wavebands (a solar reflectance of in ), making it an ideal dual-selective RC material. As a result, the dual-selective sample exhibits ultrahigh subambient cooling performance ( ) under strong sunlight ( ), which is notably higher than that of typical nonselective and mono-selective thermal emitters and , respectively). Furthermore, the dual-selective thermal emitter also exhibits a high net cooling power ( ) under strong sunlight (peak ), which is much higher than the mono-selective sample . Moreover, the dualselective thermal emitter also shows an high durability (enduring for 300 h of intense UV testing, 5 months of outdoor exposure, and 12 h of continuous water treatment). When used as a building roof, it shows notably better cooling performance than the conventional commercial counterparts. Besides, even when the dual-selective thermal emitters are covered with different colors, it still exhibits high subambient cooling performance, which is favorable for their widespread application in building roofs.
Results
Dual-selective radiative cooling model
To evaluate the cooling potential of the second atmospheric window, we demonstrated a dual-selective RC model featured with a selective
high absorption/emission in the two atmospheric windows and a high reflection in the remaining non-window MIR and solar wavebands (Fig. 1a, b and Supplementary Fig. 1b). Atmospheric transparency data in an arid climate (obtained from the ATRAN modeling software with a water vapor column of 1.0 mm and zero zenith angle) were used in the calculation to maximize the cooling effect of the second atmospheric window . The theoretical models of non-selective and monoselective emitters described above were employed for comparison (Fig. 1b). Theoretical calculations show that the dual-selective emitter has a notably higher net cooling power ( at ambient temperature of ) than the mono-selective emitter , which is close to the non-selective model ( ) (Fig. 1d, Supplementary text 1 and Supplementary Fig. 4). In an ideal environment ( ), the dual-selective RC model has a subambient cooling performance close to that of the mono-selective model ( ) and much better than the nonselective model ( ) (Fig. 1c, e, Supplementary text 2 and Supplementary Fig. 2). However, in real scenarios ( , the subambient cooling performance of the dual-selective RC model is notably better than that of the non-selective and mono-selective RC models. For example, at , the dual-selective RC model was cooler than the non-selective model, and cooler than the mono-selective model (Fig. 1e, Supplementary text 3 and Supplementary Fig. 3, and Supplementary Table 1). The simulations in a higher humidity environment show that even in a highhumidity environment the dual-selective model still maintains a subambient cooling performance close to the mono-selective model and notably better than the non-selective model (Supplementary text 4 and Supplementary Figs. 5-7). Therefore, the dual-selective design is able to fully exploit the cooling potential of RC materials and thus is expected to improve the multifunctional compatibility of RC technology in practical applications (e.g., color compatibility). However, despite the existence of various dual-selective designs , no such desired dual-selective materials have yet been experimentally developed before. It remains a challenge to design a dual-selective thermal emitter through a simple method that has precise spectral control of the two atmospheric windows, non-window MIR, and solar wavebands.
Material design and characterization
The design of the dual-selective RC emitters is based on the molecular vibration theory (molecular design in the MIR waveband of ) and the Mie scattering theory (nano-micron hierarchical design in the solar waveband of 0.3-2.5 ). Specifically, the presence of strong molecular vibrations is a prerequisite for achieving strong absorption/ emission of organic materials in the corresponding wavebands . The appropriate molecular vibrations (molecular bonds/functional groups) with the desired spectral responses are readily accessible by using the currently established “Molecular Bond vs. Wavelength” databases (e.g., NIST Standard Database) . For an ideal dualselective thermal emitter, the vibrational wavebands of its molecular bonds/functional groups should be limited within the two atmospheric window wavebands ( and , respectively). Based on a careful screening and analysis of the molecular bonds of common polymers and the corresponding vibrational wavebands, the combination of two widely used polymers, polyformaldehyde (POM) and polytetrafluoroethylene (PTFE), which mainly contain C-O-C and C-F bonds, respectively, is expected to provide the desired dual-selective characteristics. This is because the former has strong molecular vibrations mainly in the first atmospheric window ( ) due to the strong absorption of C-O-C bond, while the latter has strong molecular vibrations mainly in the second atmospheric window ( ) due to the strong absorption of C-F bond, and neither has strong molecular vibrations in the non-window MIR wavebands. Their molecular vibration properties were further confirmed by their Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared spectra (ATR-FTIR, Fig. 2a and
Supplementary Table 2) . In addition to the suitable molecular vibrations, both polymers were chosen because of their appropriate physic-chemical properties (e.g., non-toxicity, high thermal stability, and high mechanical strength) and commercial availability, which provide the basis for the practical application and scaling-up of the dual-selective RC materials. Finally, given the MIR transmission properties of polymers (transparent to heat) in the non-vibrational wavebands, a heat-reflective metal substrate (e.g., aluminum (Al) foil) is also required to achieve a high reflection in the non-window MIR wavebands.
To achieve a high cooling performance, the dual-selective thermal emitters should also have a high solar reflectance, which mainly depends on their micro/nano sizes . Commercial POM-PTFE composites are typically melt-processed and lack micro/nanostructures, which inevitably results in low solar reflectance . Therefore, a rational structural design is required for the POM and PTFE. As nanoor micron-sized POM fibers are readily achievable by electrospinning and PTFE micro/nanoparticles are commercially available (Supplementary Fig. 8) , the combination of POM fibers and PTFE particles to achieve dual-selective properties is simple and feasible. Based on this, we calculated the scattering efficiency of POM fibers and PTFE particles as a function of particle/fiber diameter across the solar spectrum ( ) using the Mie scattering theory (Fig. 2b and Supplementary text 5) . As shown in Fig. 2b, a strong scattering (high reflectance) in the solar waveband can be achieved when the fiber or particle diameter distribution is close to the solar waveband ( ), providing a clear guide for hierarchically structural designs (Supplementary text 6). Therefore, a hierarchical POM-PTFE covered on a metal substrate is expected to be an ideal dual-selective thermal emitter with a high solar reflectance.
Based on the above molecular and microstructural designs, a hierarchical POM-PTFE bead-like fibrous film coated on an Al foil substrate was synthesized as an ideal dual-selective thermal emitter (denoted as dual-selective POM-PTFE-AI) via a scalable roll-to-roll electrospinning process (Fig. 2c-e, Supplementary Figs. 9, 10 and Supplementary Movie 1). The Al foil substrate ( -thick, Supplementary Fig. 11) was used primarily as a heat reflector to eliminate the ambient heat transmitted through the polymer film. The POM-PTFE film was carefully tailored ( m-thick, ) and a disordered stack of bead-like fibers consisting of nano-sized POM fibers ( , center at ) and micro-sized PTFE particles ( , center at ) was formed (Fig. 2e, inset of Fig. 2f, Supplementary texts 7, 8, and Supplementary Figs. 12-18). The appropriate size distribution close to the wavelength range of the solar spectrum, the disordered arrangement of the fibers, and the highly reflective Al foil render the POM-PTFE-Al thermal emitter with a high solar reflectance of up to in the waveband (Fig. 2 f and Supplementary Fig. 19). Furthermore, in the MIR region, the POM-PTFE-Al thermal emitter exhibits a highly selective emittance in both atmospheric windows ( in and in , respectively, Fig. 2f) and a high reflectance in the remaining nonwindow wavebands (Supplementary Fig. 20), showing a desired dualselective characteristic. Moreover, the dual-selective emitter also exhibits a high tensile strength of 8.2 MPa (Supplementary Fig. 21 and Supplementary Table 3). Besides, its spectral responses show little or almost no changes during and after the stability tests, including 300 h of intense UV irradiation ( , equivalent to days of continuous outdoor exposure in Beijing, Fig. 2g, Supplementary text 9, and Supplementary Fig. 22), 5 months of outdoor exposure in Beijing (Fig. 2g and Supplementary Fig. 23), and 12 h of continuous water treatment (Supplementary Figs. 24 and 25 and Supplementary Movie. 2), clearly indicating its high mechanical strength, high UV resistance, high outdoor stability, and high waterproofness.
These results demonstrate that the synthesized POM-PTFE-AI exhibits ideal characteristics of the dual-selective RC model and high
Fig. 2 | Design, preparation, and spectral analysis of the dual-selective POM-PTFE-Al emitter. a Molecular design. FTIR-ATR spectra of POM and PTFE where the main characteristic peaks of C-O-C vibrational absorption/emission of POM are located in the region of the first atmospheric window ( ), and the C-F vibrational absorption/emission of PTFE mainly in the second atmospheric window . The red and blue boxes indicate the first and second atmospheric window, respectively. Hierarchical nano-micro structure design. Simulation of the scattering efficiency of POM fibers (left) and PTFE particles (right) over the wavelength range of with the fiber diameter varied from 0.2 to and the particle diameter varied from 0.2 to . c Schematic of the dual-selective POM-
PTFE emitter. d, e Photograph ( scale bar ) and SEM images of the synthesized POM-PTFE film, which has a bead-like fiber structure consisting of POM nanofibers and PTFE micro-particles. Scale bars in and (inset). Spectral response of a POM-PTFE film covered Al foil (POM-PTFE-Al) in the waveband, including the solar reflectance (black line) and MIR emittance (red line). The inset shows the statistical distribution of the diameters of the POM nanofibers and PTFE particles inside the POM-PTFE film. Spectral response of POM-PTFE-AI film before and after intense UV and outdoor exposure tests. Source data are provided as a Source Data file.
stability, suggesting the potential to provide a better cooling performance than the existing non-selective and mono-selective thermal emitters, especially in arid climates.
Thermal measurements
The subambient cooling performance and the net cooling power of the dual-selective POM-PTFE-Al were measured in the hot and perennially dry Ulan Buh desert (in Inner Mongolia, Northwest China, , ), where such an arid environment was chosen to maximize the cooling potential of the second atmospheric window ( ). The specially designed measuring devices were used for the subambient cooling performance test (Fig. 3a, b) and each device was mainly consisted of a polymer film, a wind shield (PE film), surrounding insulating foam covered with Al foil (to shield the surrounding heat), and a carefully calibrated K-type thermocouple (to monitor the sample temperature in real time). Field tests showed that on a hot and dry
sunny day (RH , and solar and peak at ), the dual-selective POM-PTFE-Al achieved a subambient temperature reduction ( ) of up to , and subambient cooling on a clear night with a higher humidity ( ) (Fig. 3c, d and Supplementary Figs. 26, 27), demonstrating its high subambient cooling performance in real scenarios.
Besides, a POM film covered on Al foil with mono-selective RC properties (donated as mono-selective POM-AI) and a polyvinylidene fluoride (PVDF) film with non-selective RC properties (donated as nonselective PVDF) were also employed for a comparison with the dualselective sample (Fig. 3e, Supplementary text. 10 and Supplementary Figs. 8a and 28-30). As mentioned above, the strong molecular bonding vibrations of POM are only concentrated in the first atmospheric window of waveband (Fig. 2a), whereas the molecular bonding vibrations of PVDF are distributed throughout the MIR waveband (including the non-window MIR region, Supplementary
Fig. 3 | Subambient cooling measurement of the dual-selective POM-PTFE-AI emitter in the Ulan Buh Desert (in Inner Mongolia, China, 6 and 7 Septem-
ber 2022). a, Photograph and schematic of the thermal measurement device. Scale bar Continuous measurement of RH and temperature over 24 h , along with the solar irradiance to characterize the subambient cooling performance of the dual-selective POM-PTFE emitter. The blue box in indicates an ultralow RH environment. e Comparison of the MIR emittance of the dual-selective
POM-PTFE-Al, mono-selective POM-Al, and non-selective PVDF. f, g Real-time temperature measurements and the corresponding average subambient temperature reduction of the three different thermal emitters from 10:00 a.m. to 3:00 p.m. (7 September 2022). Error bars in indicate measurement variations of the samples at different times (measured at one-minute intervals over 5 h ) and show the mean . Source data are provided as a Source Data file.
Fig. 29), which are prerequisites for the mono- and non-selective RC materials, respectively. After a similar electrospinning process and further careful engineering, the as-synthesized POM nanofiber film ( , Supplementary Figs. 8a and 28) covered on Al foil exhibited a high selective emissivity in the first atmospheric window (Fig. 3e, in the waveband), while the PVDF film ( , Supplementary Fig. 30) showed a high emittance throughout the MIR waveband (Fig. 3e, in the waveband). Besides, both of them had a high solar reflectance of nearly in the waveband (Supplementary Fig. 31), which is close to that of the dualselective POM-PTFE-Al, conforming to the mono-selective and nonselective RC models, respectively.
As shown in Fig. 3f, g, in the hottest and driest time interval of a day under strong sunlight ( ) from 10:00 a.m. to 3:00 p.m., the dual-selective POM-PTFE-Al exhibits the highest subambient temperature reduction ( ) among the three samples, which is notably higher than that of the non-selective PVDF ( ) and the monoselective POM ( ). The higher subambient daytime cooling capacity of the dual-selective sample is mainly due to the selective MIR spectrum compared with the non-selective PVDF and the higher selective emittance in the second atmospheric window compared with the mono-selective POM. It is noteworthy that the cooling performance of the mono-selective POM is also clearly superior to that of the non-selective PVDF at a relatively low ambient wind speed from 10:00 a.m. to 12:00 a.m. (Fig. 3f and Supplementary Fig. 32),
which is also because of its selective MIR spectral property that allows a better cooling performance than the non-selective sample in a low non-radiative heat (near ideal) environment. However, the superiorities disappear when the ambient wind speed increases (1:00 p.m. to 3:00 p.m.) because of the increase in the non-radiative heat around the sample caused by the increased wind speed. The increased non-radiative heat will notably reduce the cooling performance of the mono-selective RC materials, as their net cooling power is much lower than that of non-selective materials.
The net cooling power of dual-selective emitters was also measured in a near-constant ambient environment (at midday from 11:30 a.m. to 1:30 p.m., , and solar , Supplementary Fig. 33a). The as-employed measurement device is similar to the subambient cooling test device described above but with the addition of a smart heater to maintain the same temperature between the sample and ambient air in real time during the measurement (Fig. 4a). It was found that even under strong solar irradiation, the dual-selective POM-PTFE-Al still exhibited an high net cooling power ( ), which was well above that of the mono-selective POM ( ) (Fig. 4b). Taking the cooling power offset by solar heating ( ) into consideration, the dualselective sample in such a dry environment had a cooling power close to the theoretical limit of the dual-selective model ( , Supplementary Fig. 33b). In comparison, the dual-selective sample was shown to have a cooling power close to the non-selective one (Supplementary text 11 and Supplementary Figs. 34 and 35). These results
Fig. 4 | Cooling power and outdoor cooling performance measurements of the dual-selective emitter. a Schematic for the thermal measurement device used to measure the cooling power of samples. Real-time cooling power measurements of the dual-selective POM-PTFE-Al and mono-selective POM-Al from 11:30 a.m. to 01:30 p.m. (in the Ulan Buh Desert, September 2022). The orange region in indicates the solar irradiation. Infrared test of the dual-selective thermal emitter in an arid outdoor environment ( , 31 January 2023) of Beijing, China . The photograph and infrared images (d 30 min ) of the dual-selective sample and several typical commercial roofing materials, including color steel roof (white, background), uncovered black asphalt ( ), and covered black asphalt (Al foil-covered, dual-selective film
covered, white paint-Al foil covered, and white paint-coated). Scale bar in c . It should be noted that the infrared tests are qualitative, as the colors of an infrared image depend not only on the surface temperature but also on the MIR emittance. The emittance of each sample in the infrared images was not calibrated individually, which is obviously inappropriate for the ultralow emissivity Al foil sample. e Real-time internal temperature measurements ( , Beijing, China, 29 March 2023) of the dual-selective film-covered Al foil box ( ) as a proof-of-concept, compared to the uncovered and white paint-coated Al foil boxes (Inset is the photograph of the Al foil boxes for temperature measurement). Source data are provided as a Source Data file.
indicate that the as-designed dual-selective thermal emitter has an enhanced daytime radiative cooling performance over the existing mono-selective and non-selective thermal emitters in real scenarios, especially in arid climates, which is in good agreement with the theoretical analysis (Supplementary text 12).
To further evaluate the cooling performance of dual-selective thermal emitters in practical applications (as building materials, for example), several typical commercial roofing materials were employed for a comparison with the dual-selective POM-PTFE-Al on a dry and sunny day ( , Solar ), including black asphalt, color steel plate (white), white paint, and bare Al foil. As shown in Fig. 4c and Supplementary Figs. 36 and 37, the dual-selective POM-PTFE-Al and white paint were covered/coated on the surface of a commercial black asphalt ( ) and placed together with an uncovered black asphalt, an Al foil, and a corrugated color steel plate ( , as background) on an open roof. Their surface
temperature was visually presented and recorded using an infrared camera (Testo). The results showed that the dual-selective sample had the lowest surface temperature among these samples, and was approximately , and lower than that of the uncovered black asphalt, color steel roof (white), white paint, and white paint coated Al foil, respectively (Fig. 4d, Supplementary Figs. 38 and 39 and Supplementary Movie 3), qualitatively indicating a higher cooling capacity than these commercial roofing materials.
It is worth noting that the cooling performance between the Al foil and the dual-selective samples cannot be judged from the infrared images alone. This is because the Al foil sample, a good thermal reflector, has a much lower thermal emittance than the other roof samples (the colors of an infrared image depend on both the surface temperature and the thermal emittance). With this in mind, a buildinglike model experiment was also carried out using an Al-foil box (Al foil covered cardboard box, 0.6 cm -thick) (Fig. 4e). Specifically, three Al
foil boxes ( , uncovered, covered with dual-selective sample and coated with white paint, respectively) were placed in a dry and sunny outdoor scenario and the temperatures inside the boxes were measured in real time using thermocouples ( , Solar , Supplementary Figs. 40 and 41). As a result, compared with the bare Al foil box and the white painted box, the temperature inside the box covered with the dual-selective sample decreases by (Fig. 4e and Supplementary Fig. 42), which implies an expected saving of up to of the total building energy consumption , indicating its superiority as an energy-efficient building material. These results demonstrate the high practicality of dual-selective thermal emitter in real environments.
Color compatibility
In addition to the need for cooling, RC materials are often required to be multi-functional in practical applications, e.g., they are expected to be multi-colored for esthetic demands. The color of most previously reported daytime RC materials is usually monotonous white or silver. The addition of conventional colored dyes usually leads to a notable weakening or even loss of their cooling effect due to the absorption in the visible waveband, which is a key factor limiting their applications . Dual-selective emitters offer improved cooling performance over existing mono-selective and non-selective emitters (especially in arid climates) and are supposed to have better multifunction compatibility, including color compatibility.
As a proof-of-concept, a facile tri-layer design was used to colorize the dual-selective POM-PTFE-AI (marked as colored dual-selective emitter), which was prepared by directly covering the colored polyethylene (PE) film on the surface of the POM-PTFE-Al (Fig. 5a). The translucent colored PE films ( , Fig. 5b and Supplementary Figs. 43 and 44) are commercially available, inexpensive, harmless, transparent to heat, and can improve the tensile strength of colored thermal emitters (Supplementary Fig. 21 and Supplementary Table 3). PE films can be easily attached to the dual-selective films by hot pressing or spot welding . The cooling mechanism is that the colored PE film (top) provides the desired color (reflects visible light in a specific waveband), while the dual-selective film (bottom) provides a high reflectance in the near-infrared (NIR) waveband and the dualselective characteristics in the MIR waveband (Fig. 5a). Clearly, the desired color and size of the colored dual-selective emitter can be easily achieved with this strategy. Figure 5c shows three large sizes of colored dual-selective emitters ( ) in red, yellow, and blue, respectively. Although the color compatibility inevitably leads to some loss of cooling performance due to the reduction in solar reflectance ( ), theoretical calculations show that subambient cooling can still be achieved even with a low of for a dual-selective thermal emitter under strong sunlight ( ) (Fig. 5d and Supplementary Fig. 45), indicating a high color compatibility.
Taking the colored dual-selective emitters based on three primary colors (red, yellow and blue, respectively, Supplementary Fig. 46) as examples, all three colored emitters have high NIR reflectance ( , Fig. 5e, f) and still retain their dual-selective properties in the MIR waveband (Supplementary Fig. 47), indicating that the three-layer design is feasible to achieve colorful radiative cooling. In addition, the solar reflectance of the red, yellow and blue samples was , and respectively (Fig. 5f). Among these samples, the solar reflectance of the red and yellow ones was more than , which was expected to achieve a subambient cooling and was demonstrated by a thermal measurement (Fig. 5g). Specifically, on a dry and sunny day ( , Solar , and ) in Beijing, the red and yellow samples showed a subambient temperature reduction of and , respectively (Fig. 5h, i and Supplementary Figs. 48 and 49).
Furthermore, the IR camera tests in a similar environment (RH , Solar , and , Fig. 5j (left) and
Supplementary Figs. 50 and 51) showed that the yellow dual-selective emitter covered on black asphalt had a surface temperature of lower than the yellow PE covered white painted asphalt (right of Fig. 5j and Supplementary Movie 4), indicating the high cooling performance of colored dual-selective emitters. The same conclusion can be drawn from the IR measurement of a blue dual-selective sample (Supplementary text 13, Supplementary Figs. 52 and 53, and Supplementary Movie 5). These results demonstrate the high color compatibility of dual-selective POM-PTFE-Al, and therefore a high practicality in real scenarios.
Discussion
We demonstrated a dual-selective RC model to exploit the cooling potential of RC materials as it has notably better cooling performance than the existing mono-selective and non-selective models in real conditions, especially in arid climates. As a proof-of-concept, a scalable dual-selective POM-PTFE-Al thermal emitter was fabricated based on the above model. It exhibits a highly selective emittance in both the first ( ) and second ( ) atmospheric windows, a high reflectance in the remaining non-window MIR wavebands, a high solar reflectance ( ), and a high durability. Due to the desired dual-selective properties, the dual-selective POM-PTFE-Al thermal emitter exhibits a superior daytime subambient cooling capacity over that of existing typical thermal emitters ( cooler) under strong sunlight ( ). The dual-selective sample-based roofs showed superior cooling effect over that of the common commercial roofs. Furthermore, when compatible with multi-color, the subambient cooling can still be achieved by the colored samples. This work provides a scalable design for the reliable passive cooling in real conditions, paving the way for the nextgeneration energy-saving thermal management.
Methods
Fabrication of POM-PTFE, POM, and PVDF electrospun films
For POM-PTFE electrospun film, POM solution of -hex-afluoro-2-propanol (HFIP, 99%, Aladdin) was first prepared by adding POM powder (commercial grade, Aladdin) to HFIP solvent and then stirring continuously for 1 h at . PTFE micron-particles ( , DUPONT) were then added to the POM solution and a homogeneous suspension was formed by sonication ( 1 h ) and continuous stirring (overnight). Subsequently, the mixture solution was electrospun using a 20-gauge needle tip at a voltage of 15 kV , a feeding rate of , and a spinning distance of 18 cm . The relative humidity and temperature during spinning were maintained below and , respectively. The resulting electrospun POM-PTFE film ( , a POM to PTFE mass ratio of 7:3) was covered on an Al foil and used as a dualselective thermal emitter. The POM films were obtained by the same method without the addition of PTFE micron particles. The PVDF films were prepared using the previously reported electrospinning method. Specifically, PVDF powder (Mv ~370000, Kynar) was added to a mixed solvent ( ) of dimethylformamide (DMF, 99%, Aladdin) and acetone (AR, Tongguang) to produce a PVDF solution after continuous stirring at for 5 h . The resulting mixture was electrospun using a 19-gauge needle tip at a voltage of 12 kV , a feeding rate of , a spinning distance of 20 cm , a relative humidity of , and a spinning temperature of .
Morphology characterization
Optical images of the samples were taken using an Honor phone (Play5T). The microstructure of the thermal emitters was characterized by scanning electron microscopy (JSM7401F, JEOL Ltd., Japan).
Spectral characterization
The spectral responses of the thermal emitters in the solar spectrum and MIR wavebands were characterized
Fig. 5 | Color compatibility of the dual-selective POM-PTFE-AI. a Cooling mechanism of the colored dual-selective thermal emitter, consisting of the commercial-colored PE (top) and the dual-selective film (bottom). The colored PE selectively reflects visible light to obtain desired color. The dual-selective film covered on Al foil reflects any sunlight transmitted by the top layer and radiates heat out. b, c photograph of commercial-colored PE ( scale bars = 10 cm (upper) and 5 cm (lower)) and bilayer designed colored thermal emitters (c red (top), yellow (middle), and blue (bottom), scale bar ). d Theoretical cooling power of a dual-selective thermal emitter as a function of ambient temperature for different . Subambient cooling can be achieved even with a low of for a dualselective cooler, indicating a high color compatibility. The solar reflectance spectra and the corresponding average reflectance of red, yellow, and blue
cooler, respectively. g-i Thermal measurement of the colored POM-PTFE-Al emitter in Beijing, China (RH January 2023). Specifically, photograph of the thermal measurement device ( g , scale bar ); Real-time temperature measurements and the corresponding average temperature of the three different colored thermal emitters from 10:00 a.m. to 12:00 a.m. Actual outdoor cooling performance test for the yellow dual-selective thermal emitter covered asphalt in Beijing, China (RH January 2023) compared to the yellow PE film covered white painted asphalt, including their photograph (left) and IR images (right). Scale bar . Error bars in indicate measurement variations of the samples at different times (measured at one-minute intervals from 10:30 a.m. to 12:00 a.m.) and show the mean . Source data are provided as a Source Data file.
separately. The former was recorded using an ultraviolet-visible-nearinfrared (UV-vis-NIR) spectrophotometer (Cary 7000, Agilent) equipped with an integrating sphere model (Internal DRA-2500, Agilent, barium sulphate as baseline material). The latter was recorded using a
Fourier transform infrared spectrometer (FTIR, INVENIO, Bruker) equipped with a gold integrating sphere (A562, Bruker, gold as baseline material) and an attenuated total reflection module (ATR, diamond as baseline material).
Solar reflectance and MIR emittance calculation
The equation for calculating the average solar reflectance ( , ) of the sample is
where is the ASTMG173-03 AM1.5 Global Tilt spectrum. is the measured spectral reflectance of the sample. Similarly, the equation for calculating the average emittance in first atmospheric window ( ) of the sample is
the average emittance in the second atmospheric window ( , ) is
where and are the blackbody radiation intensity and the measured spectral emittance of the sample, respectively ( is wavelength). The can be canculated from
where , and are the speed of light ( ), the reduced Planck constant ( ), and Boltzmann constant ( ), respectively.
UV exposure test
The intense UV exposure performance was evaluated by exposing the dual-selective POM-PTFE film in a UV light source (Philips, ). The spectral response was tested after every 100 hours of continuous intense UV exposure.
Mechanical test
The tensile strength of the samples ( 2 cm wide, 10 cm long) was tested by a Servo tensile testing machine (HZ-1004A) using a gauge with a distance of 6 cm and a displacement rate of .
Water resistance test
The dual-selective POM-PTFE film ( ) was first floated on nonflowing tap water (in a circular tank, 10 cm -diameter) for 6 h , then the water was made to flow by magnetic stirring for another 6 h . The waterproofness of the sample was assessed by the visual and spectral measurements before and after the water treatment. The water contact angle of the sample was also measured using a contact angle analyzer (XG-CAMA1) in a constant environment (temperature , humidity 45%).
Outdoor exposure test
The outdoor long-term durability test at real-world condition was conducted by continuously exposing the dual-selective POM-PTFE film in an outdoor open roof of Tsinghua university (Beijing, China) with direct sky exposure for 5 months (September, 2022 to February, 2023). The spectral response was tested after every one month of continuous outdoor exposure.
Thermal measurements
Subambient cooling performance test. The subambient cooling effects of the different samples were evaluated using the devices consisting of a sample, aluminum foil, surrounding insulating foam,
and a K-type thermocouple (as shown in Fig. 3a, b). The aluminum foil and foam in the test devices were used to minimize the surrounding thermal effect, which is a common method used in previous work. The K-type thermocouples were utilized to monitor the real-time temperature of the sample, which were carefully calibrated to ensure that the difference between measured temperatures was mainly caused by the difference between the samples. The real-time environmental conditions (including relative humidity, wind speed, and ambient temperature) during the thermal measurements were measured and recorded by a weather station (NK5500, Kestrel) located adjacent to the test devices. The input solar power was measured and recorded by a datalogging solar power meter (TES-1333R) located adjacent to the test devices.
Net cooling power test. The net cooling power of the samples was measured using a device similar to that used in the thermal test above, with the addition of a smart heater system (as shown in Fig. 4a). The system consists mainly of a DC power supply (ARRAY, 3645 A), a Kapton heater, a power meter (Chroma, 66205), two temperature controllers (Omron), and K-type thermocouples. The system was able to regulate the heating power in real time (heated by a DC source powered Kapton heater) to ensure the same temperature between the sample and the ambient air, and the corresponding heating power was recorded by a digital power meter. This heating power is equal to the cooling power of the sample.
Real outdoor cooling performance measurements
For the dual-selective thermal emitter. The actual outdoor cooling performance of the dual-selective thermal emitter was tested in dry outdoor environment ( ) of Beijing, China (an open roof of Tsinghua University, E). Several typical commercial roofing materials were used for comparison with the dualselective sample, including color steel roof (white, as background), uncovered black asphalt ( ), and covered black asphalt (Al foil covered, dual-selective film covered, white paint-Al covered, and white paint-coated, respectively). The surface temperatures of these samples were monitored using an infrared camera (Testo 890, 31 January 2023). The internal temperatures of the uncovered, dualselective film-covered, and white paint-coated Al foil boxes ( ) were recorded using K-type thermocouples ( 29 March 2023).
For the colored dual-selective sample. A yellow PE film was covered on a white paint coated commercial black asphalt ( ) and it was employed for comparison with a yellow dual-selective film covered on a black asphalt of the same size. Their surface temperatures were monitored using the same infrared camera as the above test on an open roof of Tsinghua University (31 January 2023). In addition, a similar infrared measurement was performed for a blue dual-selective film in a similar environmental condition for proof-of-concept (8 October 2023).
Reporting summary
Further information on research design is available in the Nature Portfolio Reporting Summary linked to this article.
Data availability
Source data are provided in this paper. The source Data file has been deposited in Figshare under the accession link (https://doi.org/10. 6084/m9.figshare.23686743). Source data are provided in this paper.
References
Raman, A. P., Anoma, M. A., Zhu, L., Rephaeli, E. & Fan, S. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. Nature 515, 540-544 (2014).
Rephaeli, E., Raman, A. & Fan, S. Ultrabroadband photonic structures to achieve high-performance daytime radiative cooling. Nano Lett. 13, 1457-1461 (2013).
Yin, X., Yang, R., Tan, G. & Fan, S. Terrestrial radiative cooling: using the cold universe as a renewable and sustainable energy source. Science 370, 786-791 (2020).
Tang, K. et al. Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation. Science 374, 1504-1509 (2021).
Chen, Z., Zhu, L., Raman, A. & Fan, S. Radiative cooling to deep subfreezing temperatures through a 24 -h day-night cycle. Nat. Commun. 7, 13729 (2016).
Zhao, D. et al. Subambient cooling of water: toward real-world applications of daytime radiative cooling. Joule 3, 111-123 (2019).
Fan, S. & Li, W. Photonics and thermodynamics concepts in radiative cooling. Nat. Photonics 16, 182-190 (2022).
Goldstein, E. A., Raman, A. P. & Fan, S. Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the sky. Nat. Energy 2, 17143 (2017).
Mandal, J. et al. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling. Science 362, 315-318 (2018).
Zeng, S. et al. Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling. Science 373, 692-696 (2021).
Kou, J.-l, Jurado, Z., Chen, Z., Fan, S. & Minnich, A. J. Daytime radiative cooling using near-black infrared emitters. ACS Photonics 4, 626-630 (2017).
Li, T. et al. A radiative cooling structural material. Science 364, 760-763 (2019).
Wang, X. et al. Scalable flexible hybrid membranes with photonic structures for daytime radiative cooling. Adv. Funct. Mater. 30, 1907562 (2019).
Zhou, L. et al. A polydimethylsiloxane-coated metal structure for allday radiative cooling. Nat. Sustain. 2, 718-724 (2019).
Zhai, Y. et al. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling. Science 355, 1062-1066 (2017).
Zhu, R. et al. Plasmon-enhanced infrared emission approaching the theoretical limit of radiative cooling ability. Nano Lett. 20, 6974-6980 (2020).
Wang, T. et al. A structural polymer for highly efficient all-day passive radiative cooling. Nat. Commun. 12, 365 (2021).
Zhu, B. et al. Subambient daytime radiative cooling textile based on nanoprocessed silk. Nat. Nanotechnol. 16, 1342-1348 (2021).
Li, J. et al. Protecting ice from melting under sunlight via radiative cooling. Sci. Adv. 8, eabj9756 (2022).
Li, D. et al. Scalable and hierarchically designed polymer film as a selective thermal emitter for high-performance all-day radiative cooling. Nat. Nanotechnol. 16, 153-158 (2021).
Yin, H. Y., Yao, H. W., Jia, Y. L., Wang, J. Q. & Fan, C. Z. Realization of efficient radiative cooling in thermal emitter with inorganic metamaterials. J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 345501 (2021).
Lin, C. et al. A solution-processed inorganic emitter with high spectral selectivity for efficient subambient radiative cooling in hot humid climates. Adv. Mater. 34, e2109350 (2022).
Zhang, X. et al. A moisture-wicking passive radiative cooling hierarchical metafabric. ACS Nano 16, 2188-2197 (2022).
Zhao, D. L. et al. Radiative sky cooling: Fundamental principles, materials, and applications. Appl. Phys. Rev. 6, 997-1015 (2019).
Li, W., Shi, Y., Chen, Z. & Fan, S. Photonic thermal management of coloured objects. Nat. Commun. 9, 4240 (2018).
Chen, Y. et al. Colored and paintable bilayer coatings with high solar-infrared reflectance for efficient cooling. Sci. Adv. 6, eaaz5413 (2020).
Wang, X. Y. et al. Sub-ambient full-color passive radiative cooling under sunlight based on efficient quantum-dot photoluminescence. Sci. Bull. 67, 1874-1881 (2022).
Sun, X. S., Sun, Y. B., Zhou, Z. G., Alam, M. A. & Bermel, P. Radiative sky cooling: fundamental physics, materials, structures, and applications. Nanophotonics 6, 997-1015 (2017).
Zou, C. J. et al. Metal-loaded dielectric resonator metasurfaces for radiative cooling. Adv. Opt. Mater. 5, 1700460 (2017).
Wang, L., Zheng, Z. H., Gou, Y. C., Liang, W. W. & Yu, W. Fabry-Perot resonance assisted dual-layer coating with enhanced wavelengthselective refection and emission for daytime radiative cooling. Opt. Commun. 483, 126673 (2021).
Yuan, J. C., Yin, H. L., Yuan, D., Yang, Y. J. & Xu, S. Y. On daytime radiative cooling using spectrally selective metamaterial based building envelopes. Energy 242, 122779 (2022).
Lesk, C. et al. Compound heat and moisture extreme impacts on global crop yields under climate change. Nat. Rev. Earth Env. 3, 872-889 (2022).
Lesk, C. et al. Stronger temperature-moisture couplings exacerbate the impact of climate warming on global crop yields. Nat. Food 2, 683-691 (2021).
Chen, M., Pang, D., Chen, X., Yan, H. & Yang, Y. Passive daytime radiative cooling: fundamentals, material designs, and applications. EcoMat 4, e12153 (2021).
Lord, S. D. in In NASA Technical Memorandum. 103957 (NASA).
Nellis, G. F., Klein, S. A., Nellis, G. & Klein, S. Natural Convection. (2009).
Awbi, H. B. & Hatton, A. Natural convection from heated room surfaces. Energy Build. 30, 233-244 (1999).
Behera, S. K., Park, S. Y. & Gierschner, J. Dual emission: classes, mechanisms, and conditions. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 22624-22638 (2021).
Jiang, L. et al. Large Stokes shift fluorescent RNAs for dual-emission fluorescence and bioluminescence imaging in live cells. Nat. Methods 20, 1563-1572 (2023).
Liu, X. et al. Taming the blackbody with infrared metamaterials as selective thermal emitters. Phys. Rev. Lett. 107, 045901 (2011).
Tang, X., Ackerman, M. M., Chen, M. L. & Guyot-Sionnest, P. Dualband infrared imaging using stacked colloidal quantum dot photodiodes. Nat. Photonics 13, 277-283 (2019).
Zheng, H. Q. et al. Photo-stimuli-responsive dual-emitting luminescence of a spiropyran-encapsulated metal-organic framework for dynamic information encryption. Adv. Mater. 35, 2300177 (2023).
Hu, D. W. & Gu, Y. A membrane reflector, polymer hybrid infrared emitter for better radiative cooling performance. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 234, 111417 (2022).
Liang, J. et al. Radiative cooling for passive thermal management towards sustainable carbon neutrality. Natl. Sci. Rev. 10, nwac208 (2023).
Zhou, Z., Wang, X., Ma, Y., Hu, B. & Zhou, J. Transparent polymer coatings for energy-efficient daytime window cooling. Cell Rep. Phys. Sci. 1, 100231 (2020).
Aili, A. et al. Selection of polymers with functional groups for daytime radiative cooling. Mater. Today Phys. 10, 100127 (2019).
Kennedy, E. R. & Ashley, K. Fourier-transform infrared spectrometry attenuated total reflectance study of the reaction of pentanal and propanal with 2-(Hydroxymethyl) Piperidine. Appl. Spectrosc. 46, 266-272 (1992).
Zhang, H. et al. Comparative study on the mechanical, tribological, and thermal properties of POM composites filled with different PTFE. J. Thermoplast. Compos. 35, 1319-1341 (2022).
Wu, X. et al. An all-weather radiative human body cooling textile. Nat. Sustain. 6, 1446-1454 (2023).
Bognitzki, M. et al. Nanostructured fibers via electrospinning. Adv. Mater. 13, 70-72 (2001).
Lu, J. W. et al. High-elongation fiber mats by electrospinning of polyoxymethylene. Macromolecules 41, 3762-3764 (2008).
Kongkhlang, T. et al. Electrospun polyoxymethylene: spinning conditions and its consequent nanoporous nanofiber. Macromolecules 41, 4746-4752 (2008).
Song, J. N. et al. Durable radiative cooling against environmental aging. Nat. Commun. 13, 4805 (2022).
Hsu, P. C. et al. Radiative human body cooling by nanoporous polyethylene textile. Science 353, 1019-1023 (2016).
Peng, Y. & Cui, Y. Advanced textiles for personal thermal management and energy. Joule 4, 724-742 (2020).
Dong, Y. et al. “Warm in Winter and Cool in Summer”: scalable biochameleon inspired temperature-adaptive coating with easy preparation and construction. Nano Lett 23, 9034-9041 (2023).
Lin, K.-T. et al. Highly efficient flexible structured metasurface by roll-to-roll printing for diurnal radiative cooling. eLight 3, 22 (2023).
Acknowledgements
R.Z. acknowledges the support from the National Key Research and Development Program of China (2020YFA0210702, 2020YFC2201103), the Tongcheng R&D Foundation, the Tsinghua-Toyota Joint Research Fund, and the National Natural Science Foundation of China (22075163, 51872156, 62134009, 62121005). W.L. acknowledges the support from the National Natural Science Foundation of China (62134009 and 62121005).
Author contributions
R.Z., Xue.W. conceived the idea. Xue.W. designed the models and experiments. Xue.W., F.X. and W.L. performed the modeling work. Xue.W. performed the material preparation and characterization with the help of J.Z., J.L., Y.Zhang, Xun.W., S.Zhao, Q.J., S.Zhang, B.W., Y.L., D.G., R.L., F.W., Y.H. and Y.Zhao. Xue.W. wrote the manuscript. R.Z. supervised the project. All the authors provided discussion and comments.
Competing interests
The authors declare no competing interests.
Additional information
Supplementary information The online version contains
supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41467-024-45095-4.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Rufan Zhang.
Peer review information Nature Communications thanks Dasol Lee and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work. A peer review file is available.
Reprints and permissions information is available at http://www.nature.com/reprints
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing, China. National Laboratory of Solid State Microstructures, College of Engineering and Applied Sciences, Jiangsu Key Laboratory of Artificial Functional Materials, Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University, Nanjing, China. GPL Photonics Laboratory, State Key Laboratory of Luminescence and Applications, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun, Jilin, PR China. Key Laboratory of Organic Optoelectronics and Molecular Engineering of the Ministry of Education, Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing, PR China. e-mail: zhangrufan@tsinghua.edu.cn
