這種多孔聚合物涂層在被潤濕時從白色變?yōu)橥该鳎梢苑湃胨芰贤鈿ぶ兄瞥煽刂平ㄖ锕饩€和溫度的面板。哥倫比亞工程大樓將超過30%的能源用于供暖、制冷和照明系統(tǒng)。諸如涼爽屋頂涂料之類的被動設計在減少這種用法及其對環(huán)境和氣候的影響方面已經(jīng)走了很長一段路，但是它們有一個關(guān)鍵的局限性——它們通常是靜態(tài)的，因此對日?；蚣竟?jié)性的變化均無響應。

　　哥倫比亞大學工程研究人員已經(jīng)開發(fā)出多孔聚合物涂層（PPCs），這種涂層能夠以廉價且可擴展的方式來控制建筑物的光和熱。他們利用PPCs在太陽波長下的光學可切換性來調(diào)節(jié)太陽的加熱和采光，并將這一概念擴展到熱紅外波長以調(diào)制物體輻射的熱量。這項研究成果于2019年10月21日在《Joule》期刊發(fā)表。

　　該研究的主要作者，袁陽（Yuan Yang）實驗室前博士生，材料科學與工程助理教授Jyotirmoy Mandal說：“我們的研究表明，通過用酒精或水等常見液體潤濕PPCs，我們可以可逆地改變它們在太陽光和熱光波段的透射率?！薄巴ㄟ^在中空的塑料或玻璃板中放置這種PPCs，我們可以制造出可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和光線的建筑圍護結(jié)構(gòu)?！?/p>

　　該團隊的設計與智能窗戶相似，但是具有更高的光學可切換性，并且使用更簡單、更便宜的材料建造而成，可以使其大規(guī)模實現(xiàn)。它建立在早期工作的基礎之上，展示了一種具有納米級至微米級氣孔的涂料狀含氟聚合物涂料，可以使建筑物降溫。但是，該涂層是靜態(tài)的?！霸谙窦~約這樣夏季溫暖而冬季寒冷的地方，可以在供暖和制冷模式之間切換的設計會更加有用，”Yuan Yang說。

　　當Mandal注意到幾滴酒精濺到白色含氟聚合物PPC上使它透明時，該團隊偶然地開始了PPCs光學開關(guān)的工作。“我們所看到機制與使紙張潤濕時變成半透明的機制相同，但接近最佳水平，”Mandal說?！耙郧耙呀?jīng)探討這一現(xiàn)象的物理原理，但是我們看到的劇烈轉(zhuǎn)換導致我們探索了這種特殊情況，以及如何使用它?！?/p>

　　諸如紙張之類的多孔材料看起來是白色的，因為孔隙中的空氣的折射率與多孔材料的折射率不同，導致它們散射和反射光。當被水弄濕時，折射率（約1.33）更接近物質(zhì)，散射減少，更多的光通過，使其半透明。當折射率接近時，透射率增加。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的含氟聚合物和典型的醇的折射率非常接近。

　　“因此，當多孔聚合物被潤濕時，其光學性質(zhì)變得均勻，” Yang說。“光不再被散射，而是像穿過固體玻璃一樣，多孔聚合物變得透明?！?/p>

　　研究人員證明，基于ppc的屋頂可以在反射和透射狀態(tài)之間切換，可以用來控制建筑物的室內(nèi)溫度。由于醇和含氟聚合物的折射率幾乎完全匹配，該團隊可以將其PPC的日光透射率更改約74%。對于可見光部分，變化為80%。盡管切換速度比典型的智能窗慢，但是透射率的變化卻要高得多，這使得PPCs在控制建筑物中的日光方面具有吸引力。

　　研究人員還研究了如何將光開關(guān)用于溫度調(diào)節(jié)?！拔覀冊O想在夏天屋頂是白色的以保持建筑物的涼爽，而在冬天則變黑以加熱它們，這可以大大降低建筑物的空調(diào)和供暖成本”，Yang說。

　　為了驗證他們的想法，研究人員將含有PPC的面板放在黑色屋頂?shù)耐婢呶萆?。一個面板是干燥且反射性的，而另一個面板是潮濕且半透明的，下面是黑色的屋頂。在夏日正午的陽光下，白色屋頂?shù)臏囟缺戎車諝鉀鏊s3攝氏度/5華氏度，而黑色屋頂?shù)臏囟缺戎車目諝鉄崃舜蠹s21攝氏度/38華氏度。

　　該小組還研究了熱紅外波長的切換，并觀察了通過潤濕紅外透明聚乙烯PPC在“冰室”到“溫室”狀態(tài)之間的新切換。干燥時，多孔聚乙烯PPC反射陽光，但散發(fā)出輻射的熱量，就像“冰屋”一樣。弄濕PPC會使它們透射日光，并且由于典型的液體吸收熱波長，因此會像溫室一樣阻擋輻射熱。由于它們同時調(diào)節(jié)太陽輻射和熱輻射，因此可以在白天和晚上調(diào)節(jié)熱量。

　　“雖然這種轉(zhuǎn)變很簡單，但與其他光學系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換相比，這種轉(zhuǎn)換是非常不尋常的，而且可能是首次報道，” Mandal說。

　　Yang的團隊還測試了其他潛在的應用，例如熱偽裝和可響應雨水的涂料。后者可用于冷卻或加熱地中海氣候區(qū)和加利福尼亞沿海地區(qū)的建筑物，這些地區(qū)夏季干燥而冬季多雨。研究人員現(xiàn)在正在尋找擴大設計規(guī)模的方法，并探索大規(guī)模部署和測試它們的機會。

　　Yang表示：“鑒于基于PPC的設計的可擴展性和性能，我們希望它們的應用能夠得到廣泛應用，尤其是它們在建筑立面上的潛在應用使我們感到興奮?！?/p>

　　Mandal目前是加利福尼亞大學洛杉磯分校Schmidt科學研究員，正在做博士后研究，他補充說：“我們特意為我們的工作選擇了通用的聚合物和簡單的設計。其目標是使它們在當?shù)乜芍圃?，并可在發(fā)展中國家實施，因為在發(fā)展中國家，它們將產(chǎn)生最大的影響?！?/p>

　　這項研究的標題是“具有可調(diào)節(jié)的光透射率的多孔聚合物，用于光學和熱調(diào)節(jié)”。

更新日期：2019-10-25

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