芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的研究人员设计了一种类似变色龙的建筑材料，该材料会根据外界温度改变其红外线颜色以及吸收或散发的热量。在炎热的天气里，这种材料可以散发出高达 92% 的红外线热量，有助于冷却建筑物内部。然而，在较冷的日子里，这种材料仅发射其红外线的 7%，有助于保持建筑物的温暖。
“我们基本上找到了一种像对待人一样对待建筑物的低能耗方式;冷的时候加一层，热的时候脱一层，”Asst 说。领导这项研究的 Po-Chun Hsu教授 发表在Nature Sustainability上。“这种智能材料让我们无需大量能源即可维持建筑物的温度。”
受气候变化驱动
据一些估计，建筑物占全球能源消耗的 30%，排放的温室气体占全球总量的 10%。大约一半的能源足迹归因于室内空间的加热和冷却。
“长期以来，我们大多数人都认为室内温度控制是理所当然的，而没有考虑它需要多少能量，”Hsu 说。“如果我们想要一个负碳的未来，我认为我们必须考虑多种方式，以更节能的方式控制建筑温度。”
研究人员之前已经开发出辐射冷却材料，通过增强红外线的发射能力来帮助保持建筑物凉爽，红外线是人和物体辐射的不可见热量。还存在防止在寒冷气候下发射红外线的材料。
“一个简单的思考方式是，如果你有一栋面向太阳的全黑建筑，它会比其他建筑更容易升温，”新手稿的第一作者、PME 研究生陈曦穗说。
这种被动加热在冬天可能是件好事，但在夏天就不是了。
随着全球变暖导致越来越频繁的极端天气事件和多变的天气，需要建筑物能够适应;很少有气候需要全年供暖或全年空调。
从金属到液体再返回
Hsu 和他的同事设计了一种不易燃的“电致变色”建筑材料，其中包含一个可以呈现两种构象的层：保留大部分红外线热量的固体铜，或发射红外线的水溶液。在任何选定的触发温度下，该设备都可以使用少量的电力通过将铜沉积到薄膜中或剥离铜来引起状态之间的化学位移。
在这篇新论文中，研究人员详细介绍了该设备如何在金属和液态之间快速、可逆地切换。他们表明，即使在 1,800 次循环之后，在两种构象之间切换的能力仍然有效。
然后，该团队创建了模型，说明他们的材料如何降低 15 个不同城市典型建筑的能源成本。他们报告说，在一座普通的商业建筑中，用于诱导材料电致变色变化的电力将不到建筑物总用电量的 0.2%，但可以节省建筑物每年 HVAC 能源消耗的 8.4%。
“一旦你在状态之间切换，你就不需要再施加任何能量来保持任何一种状态，”Hsu 说。“因此，对于不需要经常在这些状态之间切换的建筑物，它实际上使用的电量可以忽略不计。”
扩大规模
到目前为止，Hsu 的团队只制造出了直径约 6 厘米的材料碎片。然而，他们认为许多这样的材料块可以像带状疱疹一样组装成更大的板材。他们说，这种材料还可以进行调整，以使用不同的、定制的颜色——水相是透明的，几乎任何颜色都可以放在它后面，而不会影响它吸收红外线的能力。
研究人员现在正在研究制造这种材料的不同方法。他们还计划探索材料的中间状态如何发挥作用。
“我们证明了辐射控制可以在不同季节控制大范围的建筑物温度方面发挥作用，”Hsu 说。“我们将继续与工程师和建筑部门合作，研究这将如何为更可持续的未来做出贡献。”
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