科学研究人员从大自然的光辉中汲取灵感，寻求为未解决的挑战开发变革性的解决方案。香港理工大学(理大)协理副校长(研究及创新)兼机械工程学系讲座教授王传凯教授，对大自然的复杂性进行了细致的探索，并取得了非凡的发现，并具有非常重要的实际应用。他最近发表的关于冷却陶瓷的研究成功地将新发现转化为可持续的应用。
关键要点
受Cyphochilus甲虫的启发，开发了一种具有高太阳反射率和有效日光冷却的新型冷却陶瓷。
这种创新材料易于制造，在能源效率方面表现出色，减少了对室内制冷的需求。
陶瓷的多级多孔结构模仿甲虫的鳞片，有助于其令人印象深刻的冷却性能。
它展示了生物启发设计在可持续技术中的新颖应用，将大自然的聪明才智与现代工程相结合。
该研究强调了受自然启发的解决方案在应对环境和技术挑战方面的潜力。
研究
研究结果已发表在《科学》杂志上。王教授与理大副校长、热能及环境工程讲座教授、论文合著者赵汝恒教授，与香港城市大学的研究团队合作进行这项创新。
“我们在冷却陶瓷方面的工作体现了向大自然学习的力量。它解决了被动辐射冷却方面的重大研究空白，特别是高太阳反射率。从最白的甲虫中观察到的生物白度中汲取灵感，研究人员优化了散射系统的设计，从而显着提高了太阳反射率。
受甲虫启发的材料可实现 99.6% 的太阳反射率
这项创新源于已知最白的甲虫Cyphochilus的复杂生物结构。基于对甲虫鳞片中发现的散射系统的研究，冷却陶瓷被设计为具有分层多孔结构。这种以自然为灵感的系统易于制造，并具有出色的日间制冷性能，从而降低了室内制冷的能耗。
“大自然为我们提供了丰富复杂的设计、高效的系统和可持续的解决方案，这些都经过了数百万年的演变。通过仔细研究这些自然现象，我们可以发现可以转化为实际应用的创新理念和原理。
这种冷却陶瓷也体现了王教授开创性的结构热模拟，它有可能在超高固体温度下实现高效的水冷却，这是一个未知的特性。他之前的研究项目“抑制1000°C以上的莱顿弗罗斯特效应以实现持续的热冷却”，解决了莱顿弗罗斯特效应带来的长期挑战。
当温度超过莱顿弗罗斯特点时，在固体和液体之间形成连续的蒸汽层，由于热阻增加，导致传热减少。王教授的创新STA具有在极高温度下实现高效液体冷却的潜力。
首次研究莱顿弗罗斯特效应
在涉及蒸发冷却的应用中，高温下水与表面之间的相互作用是一个关键但经常被忽视的现象。因此，除了仿生白度和高太阳反射率外，抑制莱顿弗罗斯特效应是成功开发这种冷却陶瓷的一个重要里程碑。
冷却陶瓷具有超亲水性，能够立即扩散液滴，并通过其相互连接的多孔结构促进液滴的快速浸渍。因此，在蒸发冷却过程中，冷却陶瓷在800°C以上的温度下抑制了莱顿弗罗斯特效应。
“促成冷却陶瓷成功的关键因素之一是其分层多孔结构，类似于STA设计中使用的多孔膜。正是这种复杂的结构使陶瓷能够有效地吸入和蒸发液体，从而有效地抑制莱顿弗罗斯特效应，“王教授说。
这是第一次在被动辐射冷却材料领域研究莱顿弗罗斯特效应。这一新颖的探索拓宽了被动辐射冷却材料设计的视野，也为STA的开发和应用提供了新的思路。
冷却陶瓷的独创性在于它能够通过简单的制造和操作来实现多种功能。它的主要特性，包括高耐候性、机械坚固性、抑制莱顿霜效应的能力、良好的可回收性和颜色，有助于其在各种场景和建筑结构中的实际应用。由于其适用于商业化和长期户外应用，它在成本效益、耐用性和多功能性方面也具有优势。
大自然通过新材料、设备和系统激发科学发现，并推动有影响力的解决方案的开发。这也是由王教授领导的理大自然科学与工程研究中心的愿景。该中心被设想为一个充满活力的创新和协作中心，利用大自然的光辉为社会和环境挑战创造变革性的解决方案。
“这项冷却陶瓷研究的突破说明了我们方法的实用性和多功能性。这种冷却陶瓷不仅通过其来自白甲虫的仿生结构表现出卓越的冷却性能，而且还具有自清洁性能、强大的机械强度和莱顿弗罗斯特效应抑制等宝贵功能。所有这些特性使其为实际应用做好了准备，“王教授说。
