辐射制冷（Radiative Cooling, RC）技术是一种依托地球与外太空之间的辐射热交换，实现物体冷却的可再生能源技术。通过精妙的光学设计，该技术使材料在大气窗口选择性地发射热辐射，同时最大限度地减少对太阳辐射的吸收，从而实现净冷却效果。与传统的压缩式制冷等方法相比，辐射制冷无需消耗额外能源，展现出极高的能效与可持续性，尤其在建筑节能、太阳能电池降温和人体热管理等领域展现了广泛的应用前景。过去十年，辐射制冷技术迎来了发展的黄金时代，在学术界经历了井喷式增长，同时也引发了工业界的广泛关注，催生了全球范围内的多家初创企业。这一技术的突破不仅为可持续能源利用带来了全新思路，更为环境保护开辟了创新的技术路径。然而，尽管学术成果丰硕，辐射制冷在实际应用中依然面临诸多环境因素的制约与多样化功能需求的挑战。作为可持续能源领域的前沿探索，辐射制冷技术的进一步发展与广泛应用对于推进绿色能源的利用以及全球环境保护具有深远意义。尽管已有众多针对辐射制冷技术的综述，但专门聚焦其应用瓶颈的综述寥寥无几。因此，系统梳理并深入探讨辐射制冷在实际落地过程中所面临的障碍，不仅对技术的推广至关重要，也对整个可再生能源领域的未来发展具有指导意义。
近日，浙江大学机械工程学院梅德庆团队百人计划研究员李洋与香港科技大学黄宝陵教授合作在《Advanced Materials》以“Pushing Radiative Cooling Technology to Real Applications”为主题发表综述论文。香港科技大学研究助理教授林崇佳、博士后李柯桥、博士后李梦为该论文共同第一作者，浙江大学李洋与香港科技大学黄宝陵为共同通讯作者。该工作得到香港研究资助局和国家自然科学基金委的支持。本工作详尽阐述了辐射制冷技术的光学原理，深入剖析了其在实际应用中所面临的关键挑战及背后的科学问题，并从材料选择、结构设计、制造工艺等多个角度探讨了潜在的解决路径。通过对不同方法的特点与适用性的比较，提供了全面的视角。文章系统总结了辐射制冷涂料、薄膜、织物等技术的最新进展、发展趋势及应用难点，力求梳理出该领域在实际落地过程中取得的关键研究成果，并揭示当前尚未解决的技术瓶颈。此综述旨在为辐射制冷技术在多行业、多场景中的实际应用提供科学合理的解决方案，助力其突破现实中的技术障碍。通过对前沿进展的汇总与反思，文章不仅为后续研究提供了宝贵的参考方向，更期望推动整个领域的持续创新与蓬勃发展。室外环境中的物体会受到太阳辐射、大气辐射传热，此外，所有物体都会根据其光学性质和温度发出热辐射。地面和大气之间各种形式的辐射换热建立了能量平衡，决定了室外环境中物体的表面温度。辐射制冷的一个关键方面是大气窗口的概念，即大气对热辐射相对透明的特定波长范围，这些窗口允许地球表面的热辐射直接进入外太空，在能量平衡中起着重要作用，大气窗口受湿度、气溶胶、云层等因素的影响。对于一个辐射制冷器，目标是最大限度地向外辐射热量，同时最大限度地减少进入的热量，以有效地冷却表面。因此，低太阳吸收率是辐射冷却器的基本要求。此外，在大气窗口波段实现高发射率也是关键，这确保了热辐射能够顺利逃逸至外太空，而不被大气所吸收。图2 表面与环境之间的室外热传递示意图以及冷却器的理想发射光谱尽管辐射制冷技术展现出巨大的潜力，但在其广泛应用之前，仍需克服一系列重大挑战，本综述将这些挑战归纳为5类。首先，提升冷却效能是关键。为了最大限度地提高辐射冷却器的净冷却能力，必须尽可能多地反射阳光，减少太阳能吸收，同时提高通过大气窗口散热的能力。文章对比了基于有机聚合物、无机粒子和具有周期性光子结构的表面涂层或超表面，详细分析了它们在太阳总反射率、大气窗口发射率与净冷却功率等性能方面的差异。进一步地，为了抑制对流传热和大气辐射，本综述探讨了可以在室外应用中进一步开发的策略，包括利用隔热材料、透明覆盖物以及辐射/太阳屏蔽等方法。此外，将辐射制冷与其他热管理方法（如蒸发冷却和相变材料）相结合，为提高冷却性能和实现节能提供了有希望的途径。其次，外观美学和功能性的保持同样重要。针对有色辐射制冷表面的设计，本综述提出了互补色设计概念，系统梳理了该领域的最新研究进展。文章对比了基于有机颜料、无机颜料、结构色和下转换荧光材料的有色辐射制冷表面，详细分析了它们在颜色呈现、制冷效率与耐久性等性能方面的差异。此外，文章还深入探讨了透明辐射制冷表面的设计原理，综合总结了其最新的研究成果及应用潜力，展现了透明材料在实现高效辐射制冷中的独特优势与广阔前景。第三，环境适应性是另一个挑战。在实际应用场景中，物体或人的热需求随着环境的变化而不断地、季节性地波动，因此，需要进行动态设计，使辐射制冷器可以根据环境的变化被动或主动地提高热舒适性。本综述对比了被动调节和主动调节两种方式，如基于热致变色材料和对于热、湿度、机械变形等有响应的材料实现的被动调节，以及基于电致变色现象和外部主动刺激触发，如机械力、电压和热量等实现的主动调节，详细阐述了它们的实现原理与动态调节性能。第四，长期表面耐久性不容忽视。用于辐射制冷的薄膜、纺织品和涂料经常直接暴露在室外环境中而没有保护，使得它们非常容易受到有害因素的损坏。本综述介绍了多种使用无机金属氧化物纳米颗粒保护聚合物免受紫外线损伤的方法以及通过喷涂纳米颗粒、制造多孔表面和在表面设计纳微图案等赋予辐射制冷器自清洁功能的方法。此外，文章从提升机械性能、提高热和化学稳定性等角度出发，为延长辐射制冷器的耐用性提供了可靠的解决方案。最后，可规模化的制造工艺是将该技术推向实际应用的前提。针对各种应用场景，已经提出了许多辐射制冷设计，而将该技术推向实际应用的最基本要求是以经济有效的方式进行大规模生产。本综述介绍了薄膜和涂料的制造工艺，包括卷对卷工艺、3D打印、溶液法等，织物的大规模生产方法，包括热诱导相分离法、熔融拉伸法、静电纺丝法、熔融纺丝法等，以及用于辐射制冷的水凝胶、气凝胶和一些结构材料的制造工艺，展现了辐射制冷技术灵活多变的规模化生产方法。虽然该领域取得了许多里程碑式的成就，但未来发展仍需从以下三方面进行考虑：第一、测试结果的准确性受到多种因素的影响。因此，制定统一的光学性能测试标准，实现光谱测量的精确性和现场测试的标准化，对于确保该技术的健康和可持续发展至关重要。第二、成本和可扩展性是衡量新技术商业潜力的两个关键指标。虽然在降低成本和提高可扩展性方面已经取得了一定的进展，但目前许多相关设备和材料的成本仍然偏高，在一定程度上限制了它们的广泛应用。第三、将辐射制冷技术集成到现有的基础设施（如建筑物）中，面临着独特的挑战。这其中涉及到安全和性能标准、建筑规范、改造成本以及维护费用等问题。总体而言，辐射制冷技术的研究焦点和其面临的挑战，不仅突显了其在实现可持续和高效冷却方面的巨大潜力，也揭示了在当前技术发展过程中需要克服的难题。随着材料科学和纳米技术的进步，预计辐射制冷技术将在未来取得更多的突破，道阻且长，行则将至。