新型变色涂料既可以加热建筑物，也可以冷却建筑物

保持室内空间舒适需要大量的电力。美国人在家中使用的能源中约有一半用于供暖和制冷，占水电费和温室气体排放的很大一部分。尽管许多建筑物的墙壁都装有隔热材料以保持理想的温度，但其他建筑物（尤其是旧建筑物）的能源效率低得惊人。

几十年来，科学家们一直在研究这个问题的高科技解决方案。现在，材料科学家已经开发出一种可以在加热和冷却模式之间切换的变色膜。这部薄膜比信用卡还薄，消耗的能量非常少，有朝一日甚至可以包裹最浪费的建筑物，以帮助在夏天散发不需要的热量，并在冬天将其困住。研究结果最近发表在《自然可持续性》上。

“这是一个非常令人印象深刻的结果，”密苏里大学的机械工程师姚翟说，他没有参与这项研究。

新设备利用了一种称为辐射冷却的自然现象，这种现象使室外温度在夜间下降，并有助于冷却整个地球。我们周围的一切，包括我们的身体和建筑物，都在不断地以中红外辐射的形式散发热量：电磁波的频率低于你用眼睛看到的光。“人们可以使用热像仪看到物体，看到人类，看到建筑物，这意味着他们24/7全天候发射能量，”芝加哥大学分子工程师，该研究的资深作者Po-Chun Hsu说。

如果您将热像仪从轨道对准地球，您还可以看到热量从行星辐射到太空的冷真空中。与其他波长的光相比，我们的大气层偶然允许更多的中红外辐射到地球外。虽然大部分热量离开地球，但有些仍然被大气中的温室气体困住 – 足以破坏地球的热平衡并导致温度上升，普渡大学的电气工程师Peter Bermel解释说，他没有参与这项新研究。随着全球气温的升高，科学家们正在开发解决方案，以最大限度地利用辐射减少释放的热量。在这些技术中，薄膜可以包裹结构，使它们散发出更多的热量。但世界上许多地区都经历了严冬和闷热的夏天。“你不希望在房子已经低于冰点的情况下迅速冷却的东西，”Bermel说。

这种困境是新涂层的灵感来源，这种涂层可以通过简单的电力在高和低热量排放之间切换。可见光已经存在类似的可调设备：所谓的动态窗口可以从透明切换到不透明，以控制它们通过的光量。但直到现在，还没有建筑薄膜可以对中红外热做同样的事情。

新材料以冷却模式启动。在一根极其薄的电导体下面，有一个小的水层，里面溶解着铜离子。在这种状态下，设备自然辐射热量，冷却建筑物内部。然后，当导体层施加少量电荷时，溶解的铜沉积在其表面上，在储层上形成薄层（电镀？）。由于铜吸收的中红外热量很少，因此该设备现在可以捕获热量。这种变化可以一次又一次地逆转，尽管重复使用的回报递减：经过 1000 次循环后，冷却和加热模式的效率都降低了。

作者估计，如果将这项技术应用于建筑物外部的薄膜中，它可以节省8.4%的能源，用于全年温度剧烈波动的气候中的供暖和制冷。该建筑也会改变颜色，从夏天的深白色到冬天的金属铜，尽管薄膜可以用一种特殊的油漆覆盖，不会干扰中红外辐射。

新型变色涂料既可以加热建筑物，也可以冷却建筑物

保持室内空间舒适需要大量的电力。美国人在家中使用的能源中约有一半用于供暖和制冷，占水电费和温室气体排放的很大一部分。尽管许多建筑物的墙壁都装有隔热材料以保持理想的温度，但其他建筑物（尤其是旧建筑物）的能源效率低得惊人。

几十年来，科学家们一直在研究这个问题的高科技解决方案。现在，材料科学家已经开发出一种可以在加热和冷却模式之间切换的变色膜。这种薄膜比信用卡还薄，本身消耗的能量非常少，有朝一日甚至可以包裹最浪费的建筑物，以帮助在夏天散发不需要的热量，并在冬天将热量锁住。研究结果最近发表在《自然可持续性》上。

“这是一个非常令人印象深刻的结果，”密苏里大学的机械工程师姚翟说，他没有参与这项研究。

新设备利用了一种称为辐射冷却的自然现象，这种现象使室外温度在夜间下降，并有助于冷却整个地球。我们周围的一切，包括我们的身体和建筑物，都在不断地以中红外辐射的形式散发热量：电磁波的频率低于你用眼睛看到的光。“人们可以使用热像仪看到物体，看到人类，看到建筑物，这意味着他们24/7全天候发射能量，”芝加哥大学分子工程师，该研究的资深作者Po-Chun Hsu说。

如果您将热像仪从轨道对准地球，您还可以看到热量从行星辐射到太空的冷真空中。与其他波长的光相比，我们的大气层偶然允许更多的中红外辐射到地球外。虽然大部分热量离开地球，但有些仍然被大气中的温室气体困住 – 足以破坏地球的热平衡并导致温度上升，普渡大学的电气工程师Peter Bermel解释说，他没有参与这项新研究。随着全球气温的升高，科学家们正在开发解决方案，以最大限度地利用辐射冷却释放的热量。在这些技术中，薄膜可以包裹结构，使它们散发出更多的热量。但世界上许多地区都经历了严冬和闷热的夏天。“你不希望在房子已经低于冰点的情况下迅速冷却的东西，”Bermel说。

这种困境是新涂层的灵感来源，这种涂层可以通过简单的电力在高和低热量排放之间切换。可见光已经存在类似的可调设备：所谓的动态窗口可以从透明切换到不透明，以控制它们通过的光量。但直到现在，还没有建筑薄膜可以对中红外热做同样的事情。

新材料以冷却模式启动。在一根极其薄的电导体下面，有一个小的水库，里面溶解着铜离子。在这种状态下，设备自然辐射热量，冷却建筑物内部。然后，当导体层施加少量电荷时，溶解的铜沉积在其表面上，在储层上形成薄层。由于铜吸收的中红外热量很少，因此该设备现在可以捕获热量。这种变化可以一次又一次地逆转，尽管重复使用的回报递减：经过 1，000 次循环后，冷却和加热模式的效率都降低了。

作者估计，如果将这项技术应用于建筑物外部的薄膜中，它可以节省8.4%的能源，用于全年温度剧烈波动的气候中的供暖和制冷。该建筑也会改变颜色，从夏天的深白色到冬天的金属铜，尽管薄膜可以用一种特殊的油漆覆盖，不会干扰中红外辐射。

“目前这只是证明该机制的第一步，我们已经看到了非常好的进展，”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的材料科学家兼工程师甘巧强说，他没有参与这项研究。新系统似乎很有前途，特别是与其他一些研究小组之前尝试使用水溶液创建可调设备相比。一些考虑用于类似装置的材料是高度易燃的，显然不适合包围建筑物。新薄膜不会起火，但这并不意味着它已经准备好使用。

除了随着时间的推移效率下降之外，新设备的主要缺点是成本高。覆盖薄膜外层的薄电极是高质量的石墨烯，一种昂贵的单原子厚的碳阵列。石墨烯的超薄度允许热能通过，同时材料仍然导电。为了使这些建筑围护结构可行，研究人员必须使用更便宜的材料以及可以大规模制造的材料来实现相同的结果。Hsu和他的团队计划尝试使用低质量的石墨烯和其他材料，以找到更具成本效益的替代品。他们还计划尝试更便宜的金属，如锌来代替铜。

在价格和性能之间取得平衡需要时间，因此社区在未来几年可能不会被变色的生态建筑填满。但“这是一个非常非常热门的研究话题”，甘说，这是有充分理由的。虽然减少约8%的能源使用量可能看起来很小，但“如果你在社会规模上考虑它，这可能会非常有影响，”Bermel说。“能源需求和供应的变化量级为百分之几，可能会产生很大的差异。