东南大学赵东亮教授Nano Letters：一种透明的定向热发射器

被动辐射冷却技术已得到广泛研究，然而，由于窗户是建筑构件中能效最低且视野受限的部件，实现窗户的有效冷却仍是一项关键挑战。与水平表面不同，垂直朝向窗户的有效冷却需要严格抑制来自高温环境的寄生热辐射，同时保持可见透明度。本研究提出一种透明不对称定向发射器（transparent asymmetric directional emitter, TADE），其可见光透射率高达0.83，且其具有不对称发射特性，在垂直配置下对天空和地面分别呈现高和低发射率。现场测量表明，夏季正午面向热地面时，TADE集成玻璃与普通玻璃相比可实现最大4.8°C的温度降低。全球建筑能耗模拟研究表明，TADE的定向热辐射特性可有效降低炎热气候下的加热、通风和空调（Heating, ventilation, and air conditioning, HVAC）能耗，为提升建筑窗户的能效提供了创新解决方案。相关工作以A transparent directional thermal emitter为题发表在Advanced Materials期刊。

本文提出一种透明不对称的定向发射器，首先介绍了其与全向发射器的传热及辐射冷却过程（图1）；然后计算了其光学特性，展示了ITO涂层对中红外光的反射及PVA涂层对中红外光的吸收（使结构产生预期不对称发射行为）（图2）；展示了其制作及光热测量过程（图3）；最后进行了实际辐射冷却性能测试及HVAC节能分析（图4）。

图1.垂直的定向和全向发射器（一半为理想侧）的传热过程示意图及辐射冷却性能理论分析。(a)常规玻璃与TADE集成玻璃的光热传递示意图。需注意，弯曲箭头仅用于视觉清晰度以区分光路，并不表示光在自由空间中发生弯曲; (b)TADE的宏观与微观结构示意图，由ITO/PVA锯齿状光栅和SEBS阻抗匹配层构成；(c)在环境温度为30 °C时，全向和定向发射器的稳态温度Tsteady随Tground从30 °C升至80 °C而变化。实线和虚线分别表示对流-传导热传递系数为0和8 W/m2·K。

图2. TADE的计算光学特性。(a)20 μm厚SEBS（styrene−ethylene−butylene−styrene）膜的可见光-中红外透射率计算值，300nm厚ITO层的可见光透射率与中红外反射率，以及140 μm厚PVA膜的可见光透射率与中红外吸收率；(b)TADE的太阳光透射率角依赖谱的计算；(c)计算得到的TADE（左）角依赖性中红外发射率光谱及10 μm波长入射光在±50°入射角下的电场分布（右）；(d)对计算数据进行统计分析，显示TADE在不同入射角下ATW波段的平均可见光透射率（上）和平均发射率（下）。

图3. TADE的制作及光热测量。(a)叶片前放置TADE的光学照片（上）及TADE侧视图（下）；(b)TADE表面的扫描电子显微镜（SEM）图像（左上）及横截面图像（左下）；(c)TADE无SEBS、TADE及TADE集成玻璃的测量太阳直射/总透射光谱；(d)TADE的测量角度依赖性MIR发射率光谱；(e)置于60°C热板上的TADE集成玻璃在不同观测天顶角和方位角下拍摄的红外图像；(f)室内热测量装置示意图，分别采用加热器和干冰模拟热地面与冷外太空环境；(g)随着人工地温升高，TADE集成玻璃与普通玻璃的实时温度记录数据；(h)不同人工地温下TADE集成玻璃与普通玻璃的统计稳态温度，灰色阴影区域表示理论模型预测范围。

图4.现场实测数据表明TADE在垂直表面具有增强的辐射冷却性能，并进行了HVAC节能分析。(a)现场测量期间周边环境的光学照片；(b)现场测量期间周围环境的红外图像；(c)现场测量装置的光学照片及测试室示意图，采用黑色背景以标准化太阳吸收，从而消除太阳光谱差异，并隔离由热辐射引起的热性能差异；(d)2025年6月18日中午前后记录的实时温度剖面，采用PE对流屏蔽；(e)2025年6月6日夜间使用PE对流屏蔽器记录的实时温度曲线；(f)2025年11月14日中午时分，未使用PE对流屏蔽装置记录的实时温度曲线；(g)TADE模拟的全球HVAC节能百分比与对称高辐射率窗户的对比。

小结：本研究基于几何光学原理和阻抗匹配技术，成功研发出一款兼具柔韧性和轻量化特性的透明不对称定向发射器（transparent asymmetric directional emitter, TADE）。该装置在可见光波段实现0.83的高透光率，同时在中红外光谱区域展现出显著的不对称热辐射特性。现场实测数据证实，TADE在建筑立面辐射冷却方面具有显著优势：通过有效抑制地面热辐射的寄生效应，集成TADE的玻璃在夏季高温时段的平均温度降幅达到3.8°C，较普通玻璃表现更优。全球HVAC系统模拟结果进一步表明，相较于采用全向高/低发射率玻璃的方案，TADE在炎热地区能有效降低能耗。这项研究为开发先进光热管理材料提供了重要技术框架，为新一代节能建筑的实现提供了极具前景的解决方案。

论文信息：Chen, Qixiang, Zhuning Wang, Xinyu Zhao, Fan Fan, Yaoguang Ma, and Dongliang Zhao. "A Transparent Directional Thermal Emitter." Nano Letters (2026).

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