史上最白的油漆来了!有了它夏天都不用开空调

商业

10-13 21:03

「眼前的黑不是黑,你说的白是什么白。」

我们怎么定义白?

白是雪、墙壁和牛奶的颜色。

神说要有光,白光包含了各种颜色的光。

十六进制颜色码里,#FFFFFF 代指纯白。

白也可以代表一种感觉,让你在盛夏依然凉爽。

世界上最白的油漆,从建筑用到汽车

在科学上,白的定义与反射率有关。一般来说,某个物体对可见光谱内所有波长的反射比例达到 80% 或更高,我们就认为这种物体是白色的。

越白的物质可以反射越多的光,越不容易升温。科学常识以生活经验的形式代代相传,热带地区的人们常将房屋漆成白色,希腊圣托里尼岛的白色建筑也不仅仅是为了美观。

2021 年,普渡大学研制出了一种含有硫酸钡颗粒的超白涂料,其反射率高达 98.1%,在同年 9 月被收录在 2022 年版的吉尼斯世界纪录,名正言顺地成为迄今为止最白的油漆

▲ 硫酸钡超白涂料. 图片来自:Purdue University

当这种涂料用在屋顶、人行道,可让室外表面比环境温度低 4.5°C 以上,从而减少空调需求,缓解城市热岛效应,在冬天也能起效

参与研究的普渡大学机械工程教授阮秀林(Xiulin Ruan,音译),举了一个生活里的例子:

如果你用它覆盖 1000 平方英尺(约 93 平方米)的屋顶面积,我们估计你可以获得高达 10 千瓦的冷却功率。这比大多数家庭使用的空调更强大。

▲ 硫酸钡超白涂料. 图片来自:Purdue University

研究人员甚至表示,只需让地球表面的 0.5-1% 用上这种涂料,就可以扭转全球变暖的趋势。

最近,同一批科学家开发了一种更薄、更轻的新配方,或者说世界上最白的涂料 2.0,作用也是降低表面温度。

▲ 1.0 和 2.0 的厚度差别. 图片来自:Purdue University

为什么要做到更轻、更薄?主要原因是 1.0 和 2.0 的使用场景不一样。

在 1.0 出世时,为了达到足够的辐射冷却水平,涂料至少需要达到 0.4 毫米的厚度,这对建筑物屋顶等结构来说完全可以承受。

但当目光投向尺寸和重量有精确要求的对象,比如汽车、火车和飞机,涂料需要更薄更轻,那么 2.0 就该出场了。

▲ 图片来自:Unsplash

2.0 是一种纳米多孔涂料,含有六方氮化硼(一种主要用于润滑剂的物质),仅需 0.15 毫米,反射率即可达到 97.9%,和 1.0 的 98.1% 几乎相同。

六方氮化硼起到的是什么作用?团队成员、普渡大学机械工程博士生 Andrea Felicelli 解释道:

六方氮化硼具有很高的折射率,这会导致强烈的阳光散射;它的颗粒也具有独特的形态,我们称之为纳米血小板,在反弹太阳辐射方面比之前的球形纳米颗粒更有效。

▲ 近似的反射率,2.0 比 1.0 更薄.

2.0 还在纳米尺度上具有高度多孔性,因为密度更小、厚度更薄,它比起 1.0 重量轻 80%。

更轻巧的 2.0 将用在各种轻量级场景,当它喷涂在飞机、汽车或火车的外部,可使表面温度降低约 5.6°C

在酷暑之中,停机坪上的飞机不必开空调为内部降温,大量能源便可以节省下来。

2.0 预计在两到三年内实现商业化,但还需要一系列测试和完善,比如尽量减少使用挥发性有机化合物(VOCs)。

油漆、清漆等产品都包含有机溶剂,它们会在使用过程中释放 VOCs,甲醛就是最知名的 VOCs 之一,对健康和环境都有危害。

阮秀林教授还设想了 2.0 在运输行业之外的无限可能,服装、鞋子,甚至手机等便携式电子产品都用得上:

「它可以掺入油漆或纺织纤维中,刷、喷涂或在滚筒上使用。」

不过,就算 2.0 真的商用,价格也绝不会便宜,因为氮化硼需要合成生产,所以它更适合对成本毫不在乎、但对重量和厚度「斤斤计较」的场景。

最白的油漆,也是 cool 的油漆

最白涂料 1.0 和 2.0,反射率相差无几,并非互相代替,而是各有千秋。

毕竟,打破最白涂料的记录不是科学家的目标,遏制全球变暖和节约能源才是。

从 1970 年代开始,已经有不少科学家尝试开发辐射冷却涂料,用来替代传统空调,避免陷入越热越开、越开越热的全球变暖恶性循环。

普渡大学团队开发 1.0 花了长达 6 年的时间,他们考虑了 100 多种不同的材料,最终将它们缩小到 10 种,又为每种材料测试了大约 50 种不同的配方。

市场上销售的白漆,反射率约为 80% 到 90%,且常见原料二氧化钛会吸收紫外线并辐射热量,所以不能让建筑物表面低于环境温度。

万花丛里一枝独秀,1.0 靠的是两项关键技术。

▲ 硫酸钡也常用于将相纸和化妆品变白.

一方面,将高浓度硫酸钡作为主要成分,更好地反射阳光,且不吸收紫外线;

另一方面,粒子散射光的程度取决于大小,将硫酸钡制成大小各异的颗粒后,涂料就能反射不同颜色和波长的太阳光,达到最广泛的光谱散射效果。

除了反射率接近 100%,纳米粒子还能在 0.008-0.013 毫米的特定红外波长反射太阳能量,热量通过红外窗口返回太空,不会被困在地球大气层中。

最终,它发出的热量比吸收的热量多,从而对抗全球变暖。

▲ 热量回到深空.

这种「被动辐射冷却」在不消耗任何能源的情况下冷却建筑表面,等于安了个不耗电的空调。

从红外摄像机的图片可以看出,1.0 所在的区域为深紫色,和周围的颜色截然不同,说明它将电路板冷却至低于环境温度,这是商业散热涂料无法做到的事情。

▲ 1.0 的冷却效果.

材料相对易得也是 1.0 的优势。硫酸钡比二氧化钛要便宜,最终的成本甚至可能与传统白色涂料不相上下。

这项成果已经申请了专利,普渡大学正在和一家公司合作,扩大涂料规模并将其投放市场,有望在两年之内实现商业化。

但 1.0 也远非完美。劳伦斯伯克利国家实验室的热岛效应专家 Ronnen Levinson 指出,紫外线在被反射后,很可能会与空气中的氮氧化物等物质反应,反而危害了空气质量。

▲ 图片来自:Fast Company

Fast Company 的一篇报道则提及,这种涂料近 60% 的原材料来自重晶石原矿,采矿意味着巨大的能源需求和碳足迹,与环保目的背道而驰,陷入正负相抵的两难之中。

其实在 1.0 之前,普渡大学还推出过一个版本。2020 年 10 月,他们以碳酸钙为原料,开发出一款反射率 95.5% 的白色油漆。

碳酸钙早已被 1.0 的硫酸钡取代;2.0 的六方氮化硼又扩展了 1.0 的使用场景。

「最白的白」只是暂时的虚名,科技不断进步,或许还有 3.0、4.0 的出现。想要真正的环保满分答案,要先从 70 分、80 分做起。

有了最白的白,别忘了最黑的黑

几年前,最黑的黑是 Vantablack,它吸收高达 99.965% 的可见光,由英国科技公司 Surrey NanoSystems 发明,2014 年发布时艳惊四座。

Vanta 全称为 vertically aligned nanotube arrays,意为垂直排列的纳米管阵列,每平方厘米涂层约有十亿个纳米管。

▲ 黑洞就在身边. 图片来自:dezeen

它黑得如此出众,正是因为均匀分布的纳米管结构,光粒子进入就会被吸收,极少数被反射的也会撞到纳米管顶部。

眼前两个完全相同的青铜雕像,当其中一个涂上 Vantablack,直接从三维变成二维。你凝视的不是黑色,而是深渊。

在最白涂料 1.0 问世时,研究人员曾拿它对照 Vantablack。毕竟,一个黑得傲视群雄,一个白得独领风骚。

当时还有一段和 Vantablack 相关的插曲:有人提醒研究人员小心 Anish Kapoor。

Anish Kapoor 是一位英国艺术家,他在 2016 年拿下了 Vantablack 的独家艺术权,只有他能将其用于艺术目的,因此在艺术界臭名昭著。

对此反应最激烈的是另一位英国艺术家辛普尔 Stuart Semple,他在一气之下研制出「最粉的粉」颜料,并在网站上挂出,任何人都可以购买,除了 Anish Kapoor。

最近,一位日本网红想要挑战「世界上最黑的房间」,但又买不到 Vantablack,所以退而求其次买了吸光率 99.4% 的涂料「真黑色无双」(《真三国无双》:打钱)。


他还把自己完全涂黑,无缝 cos 柯南里的黑衣人。

但现在 Vantablack 也不是最黑的了。2019 年,麻省理工开发了一种吸收 99.995% 可见光的材料,最妙的是科学家们与艺术家 Diemut Strebe 合作,让它以一颗钻石的形式亮相。

当最闪亮的「石头」遇上最吸光的材料,价值 200 万美元的天然黄色钻石完全隐入黑暗,所以被命名为「虚荣的救赎」(The Redemption of Vanity)。

▲ 图片来自:the-redemption-of-vanity.com

Diemut Strebe 和麻省理工还在钻石旁写道:「该项目也可以视作反对 Anish Kapoor 购买 Vantablack 独家艺术权的声明。我们使用了不同的碳纳米管成分,任何艺术家都可以使用。」

艺术和美学之外,最黑的黑主要用于对反射光容忍度极低的表面,比如天文望远镜、微型卫星、恒星跟踪器、红外传感器,还被认为可以用于隐形飞机。

▲ NASA 也在研究太空超黑材料.

Vantablack 的开发公司曾提议,在博物馆中将最白的白与最黑的黑一起展示,为了不违背和 Anish Kapoor 签订的独家艺术权,他们还强调「这不是艺术」,而是出于「教育目的」,展示给那些对光明和黑暗极端背后的科学感兴趣的人。

「科学可以为艺术创造媒介,艺术也可以回馈科学。」从最白的白到最黑的黑,科学家的调色板,同样影响着人类的未来。

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