陈震教授团队重新构建辐射制冷汇聚理论

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辐射制冷技术利用外太空的超低温实现无能耗制冷，作为一种绿色新能源技术，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。受限于“普朗克黑体辐射定律”，辐射制冷极限功率约150 W/m2，仅凭借材料设计永远无法打破此极限。
       类似于太阳光汇聚，辐射制冷汇聚结构能够提高辐射制冷功率，加大制冷温差。辐射制冷领域的资深著名学者、悉尼理工大学的Geoff Smith教授于2009年建立了辐射制冷汇聚的理论模型，该模型自发表以来被辐射制冷领域的同行们大量引用，并作为实验设计的依据。
         然而，由于该模型没有考虑热辐射的“吸收-辐射互易性”（图1a），导致其严重高估了辐射制冷汇聚的效果；更重要的是该模型的推论违背热力学第二定律！

图1：（a）错误的“辐射制冷汇聚”物理图像：忽略了“吸收-辐射互易性”（b）完整的物理图像（c）“射线追踪”法优化辐射制冷汇聚效果。

图2：（a）实验设计（b）实验材料光谱图（c）实验过程描述（d）实验结果。

图3：（a-b）根据理论优化的辐射制冷“汇聚器”（c-d）实验结果与理论模型对比。

         东南大学陈震教授团队指出了这一理论错误，并基于“吸收-辐射互易性”重新构建了符合第二定律的物理图像（图1b）。团队利用“射线追踪法”优化了“汇聚器”的几何形状与参数（图1c）。基于优化结果，团队设计了辐射制冷汇聚实验，验证了理论模型的正确性，实现了26%制冷增强（图2、图3）。
         该研究成果论文发表于光学领域著名学术期刊《Optics Express》，题为“Concentrated radiative cooling and its constraint from reciprocity”，博士研究生董铭豪为文章第一作者，陈震教授为论文通讯作者；另外，宾州州立大学的Linxiao Zhu教授和斯坦福大学的Shanhui Fan教授也参与了研究。论文被选为Editor's Pick（编辑精选）文章。（Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field.）
         陈震教授带领的纳米能源实验室（Nano/Energy Lab），长期专注微尺度传热学与纳米光子学的基础前沿科学研究，这些研究可广泛应用于能源、淡水、芯片散热与微纳医疗等世界前沿技术问题。
         原文链接：https://www.osapublishing.org/oe ... 1-275&id=466236


       文章来源：东南大学
      陈震，东南大学机械工程学院教授。现阶段研究兴趣主要包括：1）基本能量载子（声子、电子、光子、分子）在纳米尺度下的传输、存储、转化机理；2）纳米材料、纳米器件在新能源、生物医疗等相关产业中的实际应用。主要成果分别发表在了Nature Communications, Nature Nanotechnology, Nano Letters, Physical Review B和Applied Physics Letters等国际著名期刊上，文章SCI他引超过1000次（Google Scholar），并被Nature News, Science Daily等国际著名媒体多次特别报道。