撒哈拉银蚁：生活在炎热的撒哈拉，散热散到外太空，就是这么又“冷”又“cool”

可怕的撒哈拉

撒哈拉沙漠也许是地球上最可怕的生存环境之一。干旱、炎热、剧烈的昼夜温差，诸多恶劣的因素奠定着这里的恐怖基调，死一般的沉寂似乎应该是这里唯一的旋律。然而即便在这样的地方，生命的声音依然铿锵有力。撒哈拉银蚁（Cataglyphis bombycina）是其中引人注目的佼佼者。

撒哈拉沙漠，全世界平均气温最高、最干旱的地方之一

为什么要研究撒哈拉银蚁

1.?如何保持凉爽，特别是在夏天的中午，是一个人们长久以来都在研究的话题。这关系到建筑物的耗能、汽车的制冷、制冷冷凝设备的运行、甚至于地球的温室效应。

2.?和我们一样生活在这个地球上的生物在长期的进化历程中给了我们很多的启示。例如生活在撒哈拉沙漠的银蚁就通过被动辐射制冷在极端炎热的环境中保持凉快。

散热，是全世界的科学家都在关注的话题

对人类来说，散热是一个永恒的大话题，可以这样说，人类征服大自然的过程，就是一个征服热量的过程。大到地球的散热（温室效应），小到手机芯片和电池的散热（举世闻名的三星手机电池爆炸事件）。我们知道换热有三种方式：热传导、热对流、热辐射。把一根铁棒的一端放在火上烤，你摸摸另一端会很烫，这就是热传导。大冬天在有风的位置比没有风的位置要冷，这就是热对流。把手放在火堆边上会感觉到热，这就是热辐射（虽然你可能不会这么做）。

不管哪种换热方式换热需要一个前提条件，那就是温度差。热会从热源传到冷源（根据传说中的热力学第二定律）。当我们周围环境的温度和我们身体的温度差不多甚至更高时，我们身体的散热就比较困难，这也就是为什么我们在夏天经常需要通过额外途径保持凉爽的原因。在这样的天气里，你可能会去吃雪糕，洗澡，吹空调，但猜想你绝对不会穿一件毛衣站在太阳底下。但是地球上有一种生物，撒哈拉银蚁，他们偏偏就穿了一件独特的“毛衣”，而且可以在极端炎热的环境中保持凉爽并且繁衍生息，这到底是为什么呢？

不怕热的撒哈拉银蚁

如果你到了沙漠里看到撒哈拉银蚁，他可能正在以相当于人类以每小时450公里的速度跑步。别怕，这是他们捕食的标准动作。撒哈拉沙漠的中午地表温度超过70度，这个时候银蚁会出来以极快的速度移动捕食热晕的昆虫。环境这么热它们还跑这么快，怎么就没有热成狗呢？根据冷热交换的原理，对于银蚁来说，周围环境的温度比自身温度还要高，不仅散不了热，环境还会通过热传导和热对流传热量给银蚁。怎么办呢？既然热传导和热对流都散不了热反而还吸热（蚂蚁也不会出汗），那就只能指望热辐射了。

正在捕食的撒哈拉银蚁

说到热辐射，它其实是一种电磁波（你的手机现在就在发射电磁波到你的眼睛里，这也就是为什么你会看到这行字的原因）。电磁波的传播是不需要介质的，可以长距离传输。作为一种波，电磁波有自己的波谱。所有的物体都会发射电磁波，物质发射的电磁波最强烈的波长和它自身的温度成反比。比如太阳的表面温度大约是5500摄氏度，它发射最强烈的波段就位于可见光范围内（400-760 纳米），而地球表面的物体温度约为25度，发射最强烈的波段就位于红外（8-10 微米）。

电磁波的波谱图

了解完热辐射的基本知识，我们发现银蚁面对的不仅是酷热的沙漠，还有头顶毒辣的太阳辐射。怎么办呢？这些热量怎么散出去呢？它的秘诀就是把热散到外太空中去并且把太阳发出来的光都反射回去，因为外太空的温度可是零下200多度（极冷的冷源哦）。是的，你没有听错，是真的把热都散到外太空去。但是银蚁和外太空之间隔着一个厚厚的大气层，大气层里面的各种气体会吸收不同波长的电磁波。可是非常精妙的是，在红外波段，大气层对8-13微米的电磁波是透明的（高透射率），这个波段也就被称为红外大气透明窗口。地球表面发出的在这个波段里面的电磁波都可以穿过大气层直接传到外太空。这个波段正好和地球上物体的热辐射波段吻合。这个吻合让银蚁和外太空直接换热变成可能。

大气层透射率光谱（横轴是波长，纵轴是透射率）

在漫长的进化过程中，撒哈拉银蚁要在撒哈拉沙漠中不被热死，它们进化出了一身自己独特的“毛衣”——覆盖身体顶部和侧面的“银发”。这些银色毛发可以减弱环境空气向它对流传热。更为神奇的是，这些毛发可以直接向外太空发散热辐射来保持身体凉快。

漂亮的银发

这些毛有着特殊的结构：它们的横截面是三角形，贴近身体的一面平滑，而另外两个面则呈现出波纹形态。它们逐渐变细形成一个尖端，并以相同的方向覆盖在银蚁的体表。美国哥伦比亚大学应用数学与应用物理学系的助理教授虞南方与好友苏黎世大学吕迪格·维纳（Rüdiger Wehner）教授、西雅图华盛顿大学的加里·伯纳德（Gary Bernard）教授研究后发现，这些独特的毛发正是银蚁帅气外表与耐热内涵的来源。

原来，这些毛的三角形横截面可以有效地反射来自不同入射角度的可见光和近红外光（NIR）。在入射角约为30°时，这些毛贴近身体的那个平滑面可以完全反射掉所有的入射光。“当银蚁在沙漠中快速爬行（撒哈拉银蚁的爬行速度可高达每秒0.7米）时，它们看起来就像是在沙子上流动的水银滴。”虞南方说，“银蚁的这层毛发可以有效地反射掉波长在400nm至2μm的可见光和NIR——这些波段的电磁波也正是太阳光的主要组成部分。”

此外，银蚁的毛还赋予银蚁极高的热辐射率——它们可以向外界辐射波长为6-16μm的中红外光（MIR）来散出热量。虞南方说：“物理学家用发射率来衡量物体向外辐射热量的能力。黑体具有最佳的热辐射能力，它表面的发射率为1。而在中红外波段，得益于自己的毛发，银蚁的发射率被提升到接近黑体。”

然而离开了这层毛之后，银蚁似乎也就收了神通：虞南方给银蚁做了“脱毛”后发现，银蚁保持低温的能力显著下降。“在同样的环境下，正常银蚁的体温可以比被‘脱毛’了的银蚁低5-10℃。”

三角形截面的整齐的毛发

被动制冷超材料

利用外太空来散热这个想法其实在七十年代就有人开始尝试了。但是一直无法做到在太阳直射时制冷。早在2014，斯坦福大学Shanhui Fan教授课题组在《Nature》上发表工作，将纳米光学和热辐射控制结合，提出了通过在纳米尺度设计多层材料，达到在太阳光波段内高反射，在8-13 微米强发射的效果，有效实现了太阳直射时被动的“不插电”制冷。但是，三年多的时间过去了，这些材料依然没有走出实验室，进行大规模的应用，因为这些纳米材料虽好，但是必须要在超净实验室里面完成整个制作过程，成本较高，制造相对复杂。经过测算，平均制冷功率在100瓦每平方米。希望这个神奇的材料能够迅速走出实验室冰冷的大门，因为这将对建筑、车辆节能、减少温室气体排放带来巨大的推动作用。

原来你是一只这样可爱的蚂蚁，每一个制冷人可能都要感谢你。