烈日下比空气还凉：普渡大学98.1%超白油漆如何靠大气窗口被动辐射制冷

中午顶着大太阳，空气 35 度，房顶却比空气还要凉快。 而且不插电，没有压缩机，没有排风扇。 就靠刷了一层白油漆。

这听起来像是在吹牛。 太阳明晃晃晒着，热量不断灌下来，周围空气烤得发烫。 没有制冷机器在运转，屋顶凭什么能比空气还冷？

普通白漆肯定做不到。 我们在建材市场上买到的高档反光白漆，说明书上通常写着能反射 80% 到 90% 的阳光。 反射 90%，听起来好像已经很厉害了。 但只要把物理账本翻开，算一下就露馅了。 晴朗正午的阳光直射功率，每平方米大概是 1000 瓦。 哪怕反射掉 90%，剩下的 10% 依然被屋顶吸收了进去。 那就是每平方米 100 瓦的热量。 相当于在每一平方米的屋顶上，都点了一只 100 瓦的大灯泡，源源不断地往下烤。 屋顶吸了这么多热，摸上去肯定烫手，温度轻松冲到四五十度，远比空气热得多。

更棘手的是普通白漆里最核心的成分：二氧化钛。 油漆厂都喜欢用二氧化钛，因为它折射率高，遮盖力强，涂出来在人眼里雪白雪白的。 但二氧化钛有一个物理缺陷。 它的电子带隙只有大约 3.2 电子伏特。 这意味着阳光里的紫外线照过来，光子能量超过这个门槛，会全部被二氧化钛吸收进去。 紫外线一被吃进去，立刻就地转化为热量。 所以传统白漆不管做得多白，本身就在主动吸收阳光加热自己。

2021 年，普渡大学机械工程学院的阮修林团队，造出了一种打破吉尼斯世界纪录的极白油漆。 它反射掉了整整 98.1% 的太阳光。 只留下不到 2% 的热量被吸收。

他们是怎么做到的？ 第一步，把二氧化钛彻底扔掉，换成硫酸钡。 就是医院做肠胃 X 光透视时让人喝下去的钡餐，感光相纸和化妆品里也很常见。 硫酸钡的电子带隙高达 5 电子伏特以上。 阳光里的紫外线打在它身上，能量根本不够被它吸收，全被原样弹了回去。

第二步更绝，他们反其道而行之，玩起了颗粒尺寸。 很多做材料的习惯把粉末磨得越细越均匀越好。 阮修林团队没有这么做。 他们故意把硫酸钡做成大大小小、直径分布非常宽的各种微粒，混进涂料里，体积浓度做到了 60%。 为什么要大小不一？ 因为太阳光不是单一颜色的激光，它包含了一整段光谱。 短波长的是紫外线，中间是可见光，长波长的是近红外线。 根据光的散射原理，特定大小的微粒，只能高效散射波长和它差不多的一小截光。 如果微粒尺寸全都一样，就只能弹开特定波段，其他波长的光就会漏过去。 阮修林团队把不同尺寸的硫酸钡混在一起，形成了一片立体的散射网络。 小的微粒弹开紫外线，中等的弹开可见光，大号微粒弹开近红外线。 阳光照在上面，就像撞上了一座密不透风的镜子迷宫，98.1% 的光子被直接踢了回去。

但这里立刻引出了下一个问题。 反射掉 98.1% 的阳光，顶多也就是不吸热，温度应该和周围空气持平才对。 它凭什么能比空气还要冷 4 到 5 度？ 热量是从高温往低温走的。 屋顶如果比周围空气冷，空气里的热量就会扑上来加热屋顶。 它要想持续比空气更凉，就必须有一条往外扔热量的通道，而且往外扔的速度要超过外界热量灌进来的速度。 它把热量扔到哪去了？

外太空。

这才是这层油漆最反直觉的技术细节。 它的散热对象根本就不是周围的空气。 它瞄准的是温度只有 3 开尔文（零下 270 摄氏度）的宇宙深空。 地球表面被厚厚的大气层包裹着。 水蒸气、二氧化碳这些温室气体会拦截地表散发的大部分红外热辐射。 但物理学上有一个著名的现象：在 8 到 13 微米这个波长区间，大气层里的气体分子几乎完全不吸收红外线。 这个波段被称为大气透明窗口。 只要一个物体发出的红外热辐射波长正好落在这个窗口里，热量就能直接穿透几万米厚的大气层，径直射入太空，中间连周围的空气都不会加热分毫。

硫酸钡恰好在这个波段拥有极强的辐射发射能力。 由于微观晶格振动的声子共振，硫酸钡在 9 微米波长附近有一个很强的发射峰，正好卡在大气透明窗口的中心位置。 这层油漆相当于一台调准了频率的单向天线。 它把屋顶吸收的微量热量，连同周围空气渗过来的热量，打包成 8 到 13 微米的红外光子，顺着大气窗口直接抛向外太空。

在印第安纳州西拉法叶的户外实测中： 正午阳光最强的时候，刷了这种油漆的表面，比周围环境温度低了大约 4.4 摄氏度（8 华氏度）。 在没有太阳的夜间，它能比周围空气低上整整 10.6 摄氏度。

把这个效果放到现实建筑上，数字非常可观。 研究团队测算，在一栋大约 93 平方米（1000 平方英尺）的屋顶上刷满这种油漆，能产生大约 10 千瓦的制冷功率。 10 千瓦是什么概念？ 这已经超过了美国家庭常见的大号中央空调制冷量。 而且它不耗一度电，没有任何运转机械，不产生震动和噪音，也不会像传统空调室外机那样往街上排热风。

当然，从实验室走到家家户户的屋顶，工程上还有现实挑战。 最直接的考验是灰尘与耐候性。 在实验室里测，反射率能到 98.1%。 真刷到马路边的屋顶上，吹上几个月风沙，落上一层泥土灰尘，反射率只要掉几个百分点，多吃进几十瓦热量，净降温效果就会明显缩水。 另一个考量是季节。 在热带和沙漠地带，常年炎热，这种持续降温是纯粹的利好。 但在北方寒冷地区，冬天巴不得阳光把屋顶晒暖和一点，如果屋顶依然在零下十几度时全力往太空发射热辐射，室内的暖气账单就吃不消了。 所以它最适合的用武之地，是炎热地带的厂房、大型物流仓储、数据中心屋顶，或者缺乏电网支持的高温偏远地区。

让建筑保持凉爽，我们以前唯一的习惯是买一台功率更大的机器，消耗更多的电。 而这群工程师做的事情，是把阳光挡在外面，再把屋顶的热量，通过大气层的缝隙，悄悄倒进零下 270 度的宇宙里。