一种反射率高达98.1%的白色涂料

图1 手持涂料样本的Xiulin Ruan教授

涂一层新涂料可以使建筑物外观焕然一新，但是涂料可以给建筑降温吗？

美国普渡大学的研究人员设计出了一种“迄今为止最白的涂料”，这种涂料能够保持物体表面相对较低的温度，从而减少对空调的需求。文章见：ACS Appl. Mater. Interfaces, doi: 10.1021/acsami.1c02368。这种特殊的白色涂料由硫酸钡颗粒制成，文章中称其能够反射高达98.1%的阳光。

被动冷却

辐射冷却是一种被动散热冷却过程，无需吸收额外的能量，就能够降低物体温度。由于这种方法无需消耗电力，因此科学家们一直在尝试利用辐射冷却过程来降低建筑温度，以减少空调二氧化碳的排放。

普渡大学机械工程系的教授Xiulin Ruan说，早在上世纪70年代就已出现了辐射冷却涂料的想法。然而，过去的辐射冷却涂料只能够反射80%到90%的阳光，剩下的阳光仍会被吸收，这种涂料仍然无法达到在白天保持凉爽的目标。尽管纳米超薄膜、光子结构等多层设计可以实现全天凉爽，Ruan的团队仍然想开发一种简单、可扩展性强的单层涂料。

Ruan说，首先面对的挑战是寻找合适的涂料材料。研究人员尝试了多种高电子带隙材料，努力减少对太阳能的吸收，最终发现关键在于将广分布的粒子尺寸与高粒子浓度相结合。

Ruan解释说，“通过扩大粒子大小分布范围，涂料可以有效反射宽带阳光，从而提高整体性能。”此外他还说，粒子尺寸分布范围广同时降低了对粒子合成的要求，从而降低了成本。

材料带隙

考虑到这两点，研究人员尝试了不同的材料和配比。去年，他们展示了一种碳酸钙基涂料，其反射率达到95.5%。目前的研究工作通过使用硫酸钡(BaSO4)粒子进一步提高了反射率。硫酸钡是一种宽电子带隙材料，不吸收紫外线或可见光，而且具有很高的大气窗口辐射率。

在测试中，BaSO4-丙烯酸涂料反射了98.1%的阳光，仅吸收1.9%的热量。Ruan说，这是碳酸钙涂料散热能力的两倍。与常规TiO2 -丙烯酸涂料对比，常规涂料在紫外线和红外波段都有很高的吸收，所以在阳光下总是升温。

Ruan同时提到，硫酸钡价格仅有二氧化钛粉末的一半，成本低、环保安全，可广泛使用。

彩色散热涂料

把涂料调好后，研究人员测试了其散热能力。研究小组使用光谱仪对涂料的反射率进行了测量，以了解其避免过热的能力，同时对其红外辐射进行了测量，以了解其通过热辐射散热的程度。

为了验证这种涂料在现实条件下的表现，Ruan及其同事测量了涂料和室外环境的温度。他们发现，涂料样本比环境温度要低，这表明涂料即使在阳光直射下也能实现自我冷却。另一组实验使用加热器将样品加热到环境温度，以加热器的功耗形式表征涂料的冷却功率。

下一步，普渡大学的团队打算继续优化其辐射冷却涂料，以实现商业化生产。其目标应用场景包括建筑围护结构、汽车和户外设备等。Ruan说，下一步也许会开展彩色辐射冷却涂料的研究，尽管彩色涂料不如超白涂料散热效果好，但与传统涂料相比，仍然可以在不牺牲美观的前提下，节省能源。