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最白的白有多白

时间: 2021年04月29日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
这种超白涂料能够反射高达98.1%的可见光,因为反射能力太强了,甚至还能将红外线热量从粉刷表面散发出去,拥有极优的辐射制冷性能。


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阮修林教授举着他们实验室有记录以来最白的涂料粉刷样品。(图片来源:普渡大学/阮修林)


世界上最白的白有多白?最近,来自美国普渡大学的阮修林带领团队创造出了人类史上最白的白涂料。


编译丨周郅璨

审校丨杨心舟


白色是一种包含光谱中所有色光的颜色,是我们日常生活中接触到的明度最高的颜色,更是一种特别的颜色。它无法用其他颜色调和得到,是美术生颜料盒中最贵最爱惜的存在,也是汽车喷漆、工业涂料中比较贵的一种。


抬高白色“身价”的原因有很多,以工业界常用的白色涂料为例,相较于其他涂料,其颜色受杂质的影响更为明显,因此其纯化工艺会比较复杂。同时,白色涂料很容易受到氧化而变黄,选用怎样的材料,如何稳定其基体,这些也都是工艺上的难点。


总而言之,越白的涂料越难造。但科学家们从未停止过对于极致的追求,就像人类已经制造出了最黑的黑“Vanta Black”,能吸收99.9%的可见光。与之相对,有一个男人也一门心思追求着极致的白,经过他和团队六年多的努力,最近他终于做到了。他是来自美国普渡大学的阮修林教授,近期他带领团队创造出了人类史上最白的白涂料,这种超白涂料能够反射高达98.1%的可见光,同时还能将红外线热量从粉刷表面散发出去,拥有极优的辐射制冷性能。


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红外相机(右图)显示了白色粉刷样本(中间的深紫色正方形)将电路板冷却到低于环境温度。(图片来源:普渡大学 阮修林)


阮修林自2008年加入普渡大学以来,一直致力于能源与热物理工程方面的研究,在近期发表了超白涂料的研究成果后,他接受了多家媒体的采访,并谈到如果将这种涂料覆盖到大约1000平方英寸的屋顶上,那么房屋内部可以得到10千瓦的冷却功率,甚至比大多数开了中央空调的房屋更凉快。


要知道,在此之前,要实现高效的被动式(辐射)制冷是十分困难的。目前相对先进的一大解决方案是采用复杂的多层结构或反射金属层,然而这限制了它们在许多领域的应用。另一种则是通过涂料来实现被动制冷,但现在使用的大部分的白色涂料反射率其实还停留在80%-90%的区间,低反射率使得其很难保持表面的凉爽。这就要求粉刷一层十分厚的涂料,不仅浪费还极容易板结,而且其适用范围较窄,仅能在某些特定天气条件下发挥作用。


为了解决这个问题,早在去年十月,该研究小组就发明了一种碳酸钙基的白色涂料,其反射率达到了95.5%。而现在,他们发明的这种新型基于硫酸钡的纳米复合超白涂料无疑是更大程度地推动了被动式制冷技术的发展。相关论文于最近作为封面文章发表在了《美国化学学会·应用材料与界面》期刊上。



"美白"秘籍


这种超白涂料有两个变白“秘籍”,一是涂料基体中掺入的高浓度的硫酸钡。这种化合物具有高电子带隙,较低的阳光吸收率和高反射率,常作为改变稠度的填充剂,添加在一些白色涂料之中,也可以作为增白剂,添加到相纸、化妆品之中。


研究人员对市面上大量的白色物品进行了测试,他们发现添加硫酸钡确实能够很大程度地增加物体的反射率,也就是会让其看起来更白;第二则是涂料内部的硫酸钡粒子大小不同,其具有较大的粒径波动范围。每个粒子散射光的程度会随其粒径大小发生波动,因此涂料内部粒子越大的粒径范围分布能够允许涂料散射范围更大的可见光。


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新型涂料能很好地铺开,速干,且防水。(视频来源:普渡大学/阮修林)


高浓度和不同粒径大小这两大“秘籍”的叠加效果就使得这种新型涂料获得了极高的反射率。当然,硫酸钡的浓度也不能过高,虽然高浓度有助于使涂料变得更白,但是过高的浓度也会使得涂料干后更容易破裂或剥落,极大地影响使用体验。



代替空调


众所周知,白色光是一种复色光,而一个不透明物体会吸收不同色光,反射相同色光,所以白色物体拥有较高的反射率。而当使用白色涂料粉刷到了房顶,它能够很大程度地反射太阳的辐射热量,有效地降低辐射传热和对流传热。


根据2010年《地球物理研究快报》的一项研究,如果将城市的房屋屋顶都用理想白色涂料粉刷,经计算机模拟发现,这可以减轻33%的热岛效应,将城市的整体温度降低0.4℃,并显著降低室内温度,从而降低空调的使用率,起到节能减排的目的。


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体积浓度为60%的硫酸钡-丙烯酸复合涂料微观结构。(图片来源:普渡大学/阮修林)


普渡大学研制的这种涂料的反射率远高于普通商用涂料,这也就意味着它的降温效果更加优良。研究人员利用一种热电偶高精度温度检测设备,在室外对涂料的降温性能进行了测试。演示实验中,这种涂料能够适用于多种环境,在夜间能够让粉刷后的表面比周围环境温度低11℃,而在中午的强烈阳光下,它同样可以将表面冷却到比周围环境低5℃。在进一步实验中,研究人员发现即使是在冬天的寒冷环境中(测试温度约为6℃),它仍能将样品表面降低10℃,这证明了该涂料极为优秀的反射降温性能。


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图片来源:普渡大学


事实上,这一新型超白涂料最初是来自于研究团队的一个奇思妙想,他们原本想用超白涂料取代传统空调进行房屋降温。之后,他们在上世纪70年代开发的辐射冷却涂料的基础上进行了诸多改进,前后进行了六年多的配比研究与试验。对于涂料的基体材料选择,最初他们考虑了超过100种不同的材料,经过大量的试验,逐渐将范围缩小到10种。之后,他们对这10组材料,每种进行了50个不同配方的交叉试验。


去年十月,他们终于得到了一种性能优秀的碳酸钙基白色涂料,但碳酸钙在酸雨等极端天气下可能会发生反应而导致涂料变质,因此今年他们推出了硫酸钡基涂料,并专门针对室外的复杂环境,进行了涂料的稳定优化,最终选用了体积浓度为60%的硫酸钡-丙烯酸复合涂料配方。


阮修林表示,他们发明的这种新型涂料不管是反射率、降温性能还是稳定性都优于目前使用的其他商用白色涂料,同时其制造工艺也与普通商业涂料工艺相兼容,成本可控。因此,这种涂料未来在降低空间制冷成本、对抗城市孤岛效应、缓解全球变暖等方面具有广阔的应用前景。在BBC的采访中,他还谈到:“我们做了一个非常粗略的计算,只需要用这种涂料涂 1 %的地球表面(也许就是一些无人区的岩石),就可以一定程度起到对抗气候变化的作用。” 


不过,同样也有研究人员对其结果持谨慎态度。根据《华盛顿邮报》的报道,美国劳伦士·伯克利国家实验室的研究员龙内·莱文森(Ronnen Levinson)称,这种涂料其实与市面上的涂料相比只是有一些较小的改进,而一种涂料真实的制冷作用通常是需要在室外放置几年后,才能进行系统评估的。这其中需要考虑更多的复杂因素,因此这种新型超白涂料的效力到底如何还需要交给时间来评定。


参考链接:

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2021-04/pu-twp041221.php 

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2009GL042194 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386420302368

论文链接:

http://dx.doi.org/10.1021/acsami.1c02368