近日，新加坡南洋理工大学博士生费纪鹏和所在团队开发出一款新型复合制冷涂料。从机理上讲，研究团队通过材料和结构设计实现了蒸发制冷机理与新型光学辐射制冷的有效统一。
图 | 费纪鹏（来源：费纪鹏）
同时，在业界合作者的帮助下，研究团队全面评估并提升了所开发涂层的应用性，使这项成果超出了单纯使用材料进行概念验证的范畴。
通过结果验证，研究团队证明多种被动制冷机制可以有效统一在单一、自发凝结的层状结构里，实现单层涂料化，这也是复合制冷概念首次实现涂层化。在单一体系内，研究团队通过对纳米颗粒行为的调控以及传质孔道的调控，对制冷效率进行了提升，实现了综合性能的优解。
日前，相关论文以《通过合理设计热光学和物质传递特性实现的被动冷却涂料》（Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties）为题发在 Science[1]，费纪鹏是第一作者，南洋理工大学李洪教授担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science）
本次论文得到了期刊编辑的认可，在出版时期刊编辑总结称：“此前不久，研究团队与涂料产业和房地产业进行了密切合作，实现了此项技术的配方优化与应用性能的提升，这也是对于此项技术应用化潜力的重要认证。”
目前，此项成果已接近于中试阶段，研究团队正在寻找规模化的测试平台与场地，进行实际的应用评估。其主要应用场景为建筑的侧墙以及户外的具有热压力的电气设施和基础设施，比如光伏、通讯基站、临时住房、电箱、集装箱等，旨在实现有效的能耗降低、设备保护以及效率提升等。
近年来，人们承受着由全球变暖和城市化快速发展带来的日益增长的热压力，在能耗、健康方面的问题尤为严重。空调虽是一种有效的局部降温手段，但是其热排放和高耗电量与环境形成了负反馈。通过零能耗、低能耗手段有效解决、削弱主动制冷的排放、负反馈问题，甚至一定程度上替代空调，成为目前的技术研究潮流与热点。
由于南洋理工大学地处东南亚热带，全年热压力问题突出，对此类技术的需求尤为突出，成为促进这项研究的关键因素。同时，这项研究也是基于研究团队前期对被动制冷技术探索的一个深度拓展。自 2020 年开始涉足被动制冷领域以来，费纪鹏主要致力于开发新型的光学辐射制冷。
最开始在学术范围内，他和所在团队仅针对概念验证进行材料设计，期间完全不考虑应用性、生产工艺的复杂性、环保性与成本。那时，他们从光学角度研究科颗粒，孔道对于制冷效果提升的潜力，并通过体系设计逐步实现了光学辐射制冷关键特性的极致设计。
然而，在环境测试中他们发现，纵然有了极致的光学设计，也无法实现像在干燥地区下的有效的亚环境降温。进而，研究团队注意到了环境湿度对于辐射制冷的重要影响。由此，蒸发制冷机制被考虑作为集成的第三种被动机制以促进深度降温。
有了机理设计之后，他们着手开始打造研发体系。传统的高分子聚合物由于其有限的耐水性和稳定性，不适用于频繁的水循环。于是，他们转向无机凝胶体系。“通俗点来说，这种体系就是像石头本质一样的硅酸盐体系。”费纪鹏对 DeepTech 表示。
同时，他们还使用了水泥基体，这是因为其具备低成本和环保绿色的特点，以及能够满足涂层厚度灵活性的需求。然而，在开发过程中水泥体系里的水灰比的问题因为光学改性颗粒变得难以调控。于是，他们通过大量实验与理论探究，提出了亲水填料下的有效水灰比概念，实现了涂层机械性能和成膜性的大幅提升。
经过一年半的研发周期，研究团队认为，动态的复合制冷体系的降温性能无法通过论文中常用的小面积片状表面的测试进行有效表征。于是，转而采用了规模化混凝土房屋对比试验验证概念。期间，他们针对三个房子进行涂装并安装了独立的空调系统，在控制涂层变量试验下，发现并验证其拥有大约 40% 的月节能效果。
有了材料设计和规模化验证，接下来要探索材料的应用性与商业潜力。具体的实验从包括光学稳定性、机械稳定性、成膜性、多表面粘附力、环境稳定性以及视觉舒适性等多个角度进行。实验结果表明，此类材料具有优异的应用潜力，技术成本分析显示，此类材料相比传统涂层具有低成本和长寿命的优势。
而在体系设计中，为了解决水灰比、开裂和黏附性等问题，费纪鹏从头自学经典混凝土材料理论课程，并且每日找同校土木学院的博士和博后进行讨论，以便寻找潜在的解决方案。
“那段时间是对自我知识储备的一次巨大革新。同时，许多共同作者都倾力相助，时常进行头脑风暴，结合自己的背景提出不一样的机理，在多轮优化和实验验证后，我们最终得到了有效水灰比的概念，同时也尝试出互相匹配的添加剂种类和含量。这段经历极大促成了此项工作的完成。”他表示。
此外，经过前期 3-4 年对于被动制冷技术的研究，这项研究也解决了新型光学辐射制冷在湿热地区效果受限的问题，并通过新的制冷机理为同时实现局部制冷和削弱环境热岛效应提供了新的思路。
就本次成果的后续进展来说：
商业化上，在论文框架完成后的一年半时间内，研究团队持续在对配方进行优化，并且与业界紧密联系，尝试降本增效。经过实验室成员的努力，配方已经优化 150 多代，并将在最近进行中试。值得一提的是，研究团队在实验室已经可以生产 10-50kg 量级，并且具有优异的降温、稳定和施工性。
科研方面，基于此项技术研究团队将着手开发体系设计，使其适应多种环境和多种表面。同时，研究团队计划通过结合新型的蒸汽取水技术，开发出适合干燥地区的复合制冷涂层。
目前，研究团队还创立了一家开发新型制冷涂料的初创公司 Entropy Lab，公司名字的灵感来源于能量的本质——熵。对能量进行管理，就是对熵进行管理，研究团队将自己定位成科技企业，旨在通过持续的技术开发和技术转化，给社会带来新的产品。
眼下，该公司的主要业务为外墙的制冷涂料与内墙的环保型凉感涂料，包含多表面的光学辐射制冷涂料产品线（商品化）与复合制冷涂料（中试阶段）。当前，该公司已经获得多笔研发意向投资。
参考资料：
1.J. Fei. et al. Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties. Science 388, 6751，1044-1049(2025). DOI: 10.1126/science.adt33
排版：刘雅坤
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