黃靖文 熱愛桌球的博士生，於萬教授指導下已發表三篇研究於國際期刊。

萬德輝 材料化學家，研究興趣涵蓋奈米光學、分析化學、生醫檢測與能源光電。

Take Home Message

•全球暖化問題嚴重，傳統的冷卻方式耗電且會加劇暖化，因此急需開發不需要電力的新型被動冷卻材料。

•團隊從撒哈拉銀蟻身上得到靈感，開發出具有高反射率和高熱放射性能的超冷奈米纖維，可應用於建築和汽車降溫。

•團隊還開發出透明的超冷蠶絲薄膜，可應用於需要透光的建築玻璃、太陽能板和電子設備降溫，有望應用至更多領域。

近年來，全球暖化帶來了很多環境問題，例如海平面上升、動植物滅絕、乾旱、熱浪、森林大火等現象。這些災害不僅導致了大量的財產損失，更造成許多人員傷亡。由於各地區的最高溫度記錄不斷創下新高，即使人們採取了各種方法來減緩全球溫度上升，仍舊成效不彰。

氣溫的年年升高，也使冷氣、風扇等仰賴電力的空調設備需求節節攀升，進一步造成電力消耗的逐年遞增，預計到2050年會增加到目前的兩倍或更多。而目前正蓬勃發展的人工智慧（artificial intelligence,AI）技術，更導致人們對電力與伺服器冷卻的需求進一步增加。上述這些仰賴電力的設備，它們的主流冷卻方式不僅無法減緩升溫，反而加劇了全球暖化的進程。種種趨勢都警示我們必須盡快開發不需要電力就能持續散熱、降溫的冷卻方法，來替房屋和電器降溫，以應對即將到來的氣候危機。

就在科學家想破頭尋找解決方案的同時，撒哈拉沙漠中有一種名為撒哈拉銀蟻（Cataglyphis bombycina）的小生物，其實已經將解答隱藏在牠的毛髮之中，等待著人們去發掘。

撒哈拉銀蟻在炎熱沙漠中的生存之道

在地球上最炎熱的撒哈拉沙漠中，存在一種令人驚嘆的生物――撒哈拉銀蟻。這些小小的生物不僅適應了極端的沙漠環境，還在這裡生存、繁衍。它們以那些因高溫而喪生的昆蟲和小動物為食，扮演著沙漠中「清道夫」的重要角色，有趣的是，銀蟻自己卻能在這樣的高溫下生存。它們的身體最高能夠承受53.6℃，這個臨界溫度就像是牠們生存的極限，而銀蟻為了能在夏季沙漠表面溫度飆升至60～70℃時仍舊保持活力、外出覓食，演化出了一系列令人驚嘆的降溫機制。

銀蟻特殊的毛髮結構便是降溫關鍵。這些毛髮能夠有效反射絕大部分的太陽光，從而減少銀蟻從環境中吸收的熱量。除此之外，牠們還有良好的中紅外線熱放射能力，這正是銀蟻在體溫最高時主要的散熱方式（圖一）。這種生物機制使得銀蟻能夠在短時間內快速降低體溫，成為目前已知最能抵抗高溫的昆蟲之一。


科學家比較有毛髮和沒有毛髮的銀蟻標本，發現有毛髮的的標本能明顯反射更多的太陽光。這也是為什麼「銀」蟻不同於一般螞蟻，外表呈現銀色外觀。銀蟻的每根毛髮還會因為不同的大小和形狀，增強特定太陽光波長的散射，提升在整個太陽光波段的反射率。由於稜鏡效應的關係，牠們的三角形毛髮相比於圓形毛髮，在大角度入射時將有更好的反射效果。

此外，在中紅外光波段，有毛髮的部分反而比沒有毛髮的部分擁有更高的熱放射率。由於大氣層在中紅外光區有一段幾乎不吸收的波段，稱為「大氣窗口」，因此銀蟻的體熱可以透過輻射的方式穿過大氣層，發散到溫度極低的外太空。如此一來，銀蟻能同時透過提高太陽光反射率和中紅外熱放射率，不但降低熱的吸收，更增添了讓熱直通外太空的散熱管道，這也就是銀蟻能達到如此優秀降溫效果的奧祕。

▲薩哈拉銀蟻

超冷奈米纖維

其實早在2013年，科學家就曾利用多層薄膜的堆疊，透過干涉現象設計出兼具高陽光反射和高熱放射性能的輻射冷卻材料。儘管材料的降溫效果顯著，但使用的鍍膜技術需要高真空設備，且鍍膜厚度必須精確控制在奈米（nm）尺度，使這項技術不但價格高昂，製程環境的超高要求更限制了它被大規模生產的可能性。

而為了達成量產輻射冷卻材料的可能性，筆者團隊深入研究不同微奈米材料〔註〕，從種類、尺寸、形狀探討它們對光譜和降溫效果的影響。我們運用先進的光學工程技術，希望能設計出可量產且兼具高反射率、高熱放射性能的超冷奈米材料，應用於未來節能和永續建築，為建築穿上涼感衣。


經過一段時間的努力，我們採用新興的靜電紡絲技術，終於成功研發出陶瓷超冷奈米纖維膜，不須昂貴的真空設備即可大量生產。在研發過程中，我們首先探討纖維直徑對太陽光散射效率的影響，發現光波長在接近纖維直徑時散射達到最高峰。意指如果能將纖維直徑設計在接近陽光強度最強的波段，便能最大程度地增強太陽光散射，進而提升反射效率。

為此我們調控纖維直徑，使纖維的平均直徑落在400nm，且設計纖維直徑的分布呈現鐘型曲線。這些大小不一的纖維和銀蟻的毛髮一樣，增強了不同太陽光波段的散射，使超冷奈米纖維達到高達97％的陽光反射。同時，我們選用常見的陶瓷材料――二氧化矽（SiO2）作為材料主體。由於二氧化矽會和中紅外光波段的電磁波產生共振效應，可以貢獻高達90％的中紅外熱放射率。在實際戶外測試中（室溫約30℃），我們將超冷奈米纖維覆蓋在建築模型（5×5.5×7公分）和汽車模型（6.5×3×2公分）上，未覆蓋的模型於陽光直射下高達41.9℃和52.1℃，超冷纖維則可使它們分別達到最多8.6℃和17.6℃的降溫。在這個實驗中，我們可以注意到由於黑色汽車置於室外會大量吸收太陽光，當覆蓋上超冷奈米纖維於表層，則可有效避免陽光被下方車體吸收，因此在黑色的汽車模型中降溫效果尤為顯著（圖二）。

除了優異的降溫表現之外，我們更利用了陶瓷本身的特性和表面改質技術，使超冷奈米纖維具有防火、抗紫外光、防腐蝕、抗酸雨等優異耐候性能。若未來能應用於建築外牆，不但可以在戶外長期使用，遇到火災時還能為住戶爭取更多逃生時間，兼顧實用及安全性能。


超冷蠶絲薄膜

在成功研發出高反射型的超冷奈米纖維之後，筆者研究團隊便開始好奇是否能研發出有相似功效、但為透明版本的輻射冷卻材料？由於人類本身就是視覺動物，相信大家應該都不能接受，以後身邊的東西都因為降溫材料而變得白茫茫的一片吧？更重要的是，其實有些降溫的應用場景不能擋住光線進出。最常見的例子莫過於建築的透明玻璃、太陽能板，以及現在人手一機的智慧型手機了。由於現在的節能綠建築常使用自然採光，窗戶的面積占比相較傳統建築更高；智慧型手機和太陽能板在光電轉換的過程當中會產生大量的廢熱，若放任元件在高溫下持續工作，將大幅影響使用效率，甚至產生熱當等問題。因此，透明超冷材料的開發勢在必行，於是我們著手研發透明的超冷蠶絲薄膜。

作為人類歷史上長期使用的織物材料，蠶絲本身就具有良好的太陽光反射特性和中紅外熱放射性能，這也是為什麼蠶寶寶在太陽下不會熱死在蠶繭裡的原因。然而蠶繭本身的纖維結構導致了高陽光反射，若想製成透明薄膜，就必須破壞纖維結構使太陽光得以穿透。因此我們在不破壞蠶絲分子結構的前提之下，拆解了蠶繭的纖維結構並製成蠶絲水溶液。最後，只要簡單將蠶絲水溶液塗在需要進行降溫的表面上，等它自然風乾就可以形成純天然、環保的超冷蠶絲薄膜（圖三）。

此透明超冷蠶絲薄膜可以達到92％的中紅外熱放射率，且即便在100℃的高溫下仍能保持穩定。實測結果顯示，若將透明超冷蠶絲薄膜塗布在智慧型手機和太陽能板的表面上，超冷蠶絲薄膜可以在中午陽光最強的時候表現出十分穩定的降溫效果，不但可以為手機和太陽能板帶來5.1℃及14℃的降溫，更能有效提升太陽能板的光電轉換效率。想不到蠶絲也有這種妙用，很神奇吧！不過天然材料的一大挑戰則是使用壽命的問題，特別是紫外光的長期曝曬；若想增加此材料的壽命，未來還可以透過添加紫外線吸收劑的方式增強抗紫外線性能，也是筆者團隊持續努力開發的方向。

放眼未來

除了上述的應用情境，超冷材料還有許多應用前景，例如綠色建築、冷鏈運輸、穿戴式設備、太空熱管理、大型資料處理中心及手機、電腦等消費性電子產品、城市規畫等多個領域。這些新興的超冷材料不僅將大幅降低全球能源消耗，未來更可能和其他傳統降溫方式結合，帶來革命性變革與創新。舉例來說，若輻射冷卻的超冷材料能搭配消費性電子產品中高熱傳導的金屬散熱元件，先將熱傳導到金屬外殼，再透過超冷材料輻射冷卻降溫，降溫效率又能再提升一個層次。最後，隨著技術進步和跨領域研究的進行，我們希望開發出更多高效、環保、多功能的超冷材料，為全球氣候變化和能源危機提供更多解決方案。 閱讀完整內容