香港城市大学（香港城大）团队最近在研发被动辐射制冷材料方面取得重大突破，成功研发了一种名为“制冷瓷砖”（cooling ceramic）的物料，可透过其高效能的光学特质达致零耗能和无需制冷剂的制冷，兼具高成本效益、耐用及多功能的优点，广泛地适合于商业应用，特别是建筑业。研究结果已刊载于著名学术期刊《科学》，题为〈具有高太阳反射率的阶层式结构被动辐射制冷瓷砖〉（Hierarchically structured passive radiative cooling ceramic with high solar reflectivity）。

制冷瓷砖可减低建筑物的热负荷，即使在恶劣天气下仍能保持稳定的冷冻表现，有助提升能源效益及对抗全球暖化。

论文通讯作者之一的香港城大能源及环境学院曹之胤教授表示，被动辐射制冷被视为最具潜力的环保制冷技术，有助应对社会对空间冷冻的迫切需求，减低环境污染及对抗全球暖化。

然而，目前采用纳米光子结构的被动辐射制冷材料，不但成本高，而且兼容性低，难以应用，另一替代材料——聚合物光子则易受天气影响，且未能有效反射阳光。

提升光学特性和应用能力

曹教授说：“我们研发的制冷瓷砖具有高效能的光学特性，并且应用性很强。制冷瓷砖的颜色、耐候性能（即不受气候影响）、机械结构坚固度及抑制‘莱顿弗罗斯特效应’（Leidenfrost effect，一种阻碍高热物料传热和令其表面液体无法有效冷却的现象）的能力，均确保其耐用性及具备多元化应用的特质。”

制冷瓷砖的独有特质，源于其作为块体瓷砖材料，内里具有的阶层式多孔结构。其制作过程只需要采用容易取得的氧化铝等非有机材料，然后通过相转化及烧结两个简单步骤，即可制成；过程中无需使用精密设备或成本高昂的材料，因此可大量生产制冷瓷砖。

平面及曲面的制冷瓷砖，表面可加上图案。（图片来源：香港城市大学）

被动辐射制冷材料的冷冻效果，取决于两种不同波长范围的光子特质：太阳光波长范围（0.25至2.5微米）及中红外线波长范围（8至13微米）。高效冷冻需要具有高反射能力的太阳光波长范围，以减少吸收阳光热能；而具有高散射能力的中红外线波长范围，则可尽量令幅射热能消散。由于氧化铝具有广阔的能带差距，因此可尽量减少吸收太阳热能。

此外，制冷瓷砖不但模拟了甲壳虫白金龟的生物白色，并按“米氏散射理论”（Mie scattering）优化其多孔结构，令它可高效散射近乎所有波长的阳光，达致接近完美的99.6%阳光反射率（最高纪录的反射率），以及达96.5%的高水平中红外线热能散射率。凭借上述高效能的光学特性，令新研发的制冷瓷砖超越目前的先进材料。

制冷瓷砖模拟甲壳虫白金龟的生物白色，并具有高太阳反射率及仿生特性，可提供高效被动辐射制冷，并大有潜力减低室内制冷所需的能源消耗。（图片来源：香港城市大学）

曹教授说：“以氧化铝造成的制冷瓷砖，能达致理想的抗紫外光效果，可减低因紫外光造成的损害，解决了大部分以聚合物光子制成的物料所面对的问题。此外，制冷瓷砖能够抵御摄氏1,000度以上高温，其极佳的防火能力超越大部分聚合物基或金属基的被动辐射制冷材料。”

制冷瓷砖具卓越耐候性能

除了优秀的光学表现，制冷瓷砖更有极佳的耐候性能、化学稳定度及机械结构坚固度等优点，非常适合长期户外应用。制冷瓷砖在极高温下有超亲水表现，这是由于它具有互相连结的多孔结构，可快速吸收水滴，并同时令水滴于表面立即散开，因此能够抑制传统建筑外壳材料常有的“莱顿弗罗斯特效应”，达致高效蒸发冷却。

“莱顿弗罗斯特效应”是指液体接触到远超其沸点的物件表面时出现的一种现象，即液体未能立即沸腾蒸发，反而形成一层水蒸气，阻隔液体直接与高热物体表面接触。水蒸气会减慢高热表面的传热速度和令其表面液体无法冷却，以致液体悬浮，并在高热物体表面四处滚动。

曹教授说：“制冷瓷砖美妙之处是既能符合被动辐射制冷材料的高效能要求，亦能符合实际应用所需。”他指出，制冷瓷砖另可配上双层设计的颜色，达致美观的效果。

曹教授说：“我们的实验发现在屋顶上铺设制冷瓷砖，可节省20%以上用于冷却空间的电力，反映制冷瓷砖极有潜力，减少大众依赖传统的主动制冷方式，并能提供可持续的解决方案，避免电网超出负荷，减少温室气体排放及城市热岛效应。”

曹教授补充，研究团队计划按照目前的研发基础，进一步提升被动热能管理策略，探索如何应用这些策略以提升能源效率、提倡可持续发展，并促使纺织、能源系统及交通等行业更容易接触及应用被动辐射制冷技术。

除了曹教授，香港城大机械工程学系客座教授兼香港理工大学协理副校长（研究及创新）王钻开教授，亦是论文的通讯作者。第一作者及第二作者分别是曹教授指导的香港城大能源及环境学院博士生林凯昕及陈思如。