新型变色龙皮肤材料 可减少建筑能耗

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建筑物保暖和冷却消耗了世界能源供应的15%左右，预计在未来几十年内，这一使用量还将增加。国际能源署（International Energy Agency）预测，如果不采取措施提高能源效率，到2050年，对冷却的能源需求将增加三倍以上。

现在，两个研究小组从变色龙的可变色皮肤中获得了灵感，为建筑外墙制作了动态变色材料，可以显著减少空调和供暖的能耗。

芝加哥大学（University of Chicago）提出的一个想法是，一个设备，只要拨动开关，就能改变它发出的红外线热量，有助于在不消耗大量能源的情况下保持室内空间全年舒适。另一种设备由多伦多大学（University of Toronto）的一个团队开发，控制进入建筑物的红外光和可见光的数量、类型和方向。这两种技术本身都使用电力，但它们实现的能源消耗的显著减少远远弥补了这一消耗。

随着气候变化使得极端天气持续时间更长、更频繁，建筑物的能源效率最近成为人们关注的焦点。减少空调负荷的技术包括电致变色窗户，当电或太阳热量触发时，窗户会变暗，以减少进入办公室的阳光量，以及将红外线送入太空的被动辐射冷却系统。研究人员最近还报道了一种可以根据温度提供太阳能加热或辐射冷却的装置。

芝加哥大学的分子工程师Po-Chun Hsu和他的同事们想制造这样一种双模装置，这种装置可以动态控制，而不是由温度触发。Hsu说：“我们不是将能量注入供暖或制冷系统，而是调节建筑物的隔热，就像人们在增加或移除层时在人体尺度上所做的那样。”

他们的薄电池状装置由夹在两个电极之间的不可燃含铜水电解质组成。面向建筑物外部的电极是一层塑料薄膜，上面覆盖着一层金色纳米线、一层石墨烯和一些铂。另一个电极是铜箔。

在加热模式下，施加的电压将铜纳米颗粒从电解质中推到铂-石墨烯膜上。他们形成了一层反射红外辐射的厚金属层，“就像抑制跑步者热量损失的金属热毯一样”，Hsu说。

当电压反向时，金属溶解回电解液中，电解液通过透明塑料电极发出红外线，从而形成冷却状态。这种材料可以发射高达92%的红外辐射来帮助冷却建筑物，而在加热模式下，它只发射7%的红外辐射。

研究人员使用开源能源模拟软件EnergyPlus计算了美国15个不同城市的一座建筑的能源使用情况，并将新设备用作整个建筑的立面。他们在《自然可持续发展》杂志（https://www.nature.com/articles/s41893-022-01023-2）上发表的报告称，平均而言，该设备的耗电量不到建筑总耗电量的0.2%，但它节省了建筑年暖通空调能耗的8.4%。

Hsu教授表示，石墨烯和铜的使用使该设备现在变得昂贵，但该团队正在评估使用替代材料来降低成本。

多伦多大学材料科学与工程教授Benjamin Hatton及其同事报道的“光流体（optofluidic）”装置在成本方面可能具有优势。研究人员将三块薄薄的有机玻璃板放在一起。每一层都有2至3毫米高的通道，它们通过这些通道泵送不同的流体：一种染色的水或酒精基悬浮液，可以吸收可见光和近红外波长；提供遮光的炭黑悬浮液；以及二氧化钛纳米颗粒悬浮液，其散射并引导穿过它的光。

Hatton表示，将这三种效应结合起来，可以“同时调整建筑物内透射阳光的强度、光谱和色散”。填充液体的面板可以安装在新的窗户上，也可以安装在旧的窗格玻璃上。该系统会影响建筑物的外观，需要对液体体积和泄漏进行仔细管理。但由于它在可见光和红外范围内控制阳光，与仅采用热管理方法相比，它对能源使用的影响更大。

Hatton及其同事还对装有新型光流体窗的建筑进行了EnergyPlus模拟，尽管仅在多伦多，但他们发现，与电致变色窗相比，这种装置的能耗降低了43%。“与静态窗口相比，这种节能效果更高，”他说，“我们觉得有趣的是，这些外墙内的流体薄层会对整个建筑的能源需求产生巨大影响。”

他们的研究结果于1月30日发表在《美国国家科学院院刊》（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2210351120）上。