多孔聚合物塗層可動态控制光和熱

　　這(zhè)種(zhǒng)多孔聚合物塗層在被(bèi)潤濕時從白色變爲透明，可以放入塑料外殼中制成(chéng)控制建築物光線和溫度的面(miàn)闆。哥倫比亞工程大樓將(jiāng)超過(guò)30%的能(néng)源用于供暖、制冷和照明系統。諸如涼爽屋頂塗料之類的被(bèi)動設計在減少這(zhè)種(zhǒng)用法及其對(duì)環境和氣候的影響方面(miàn)已經(jīng)走了很長(cháng)一段路，但是它們有一個關鍵的局限性——它們通常是靜态的，因此對(duì)日常或季節性的變化均無響應。

　　哥倫比亞大學(xué)工程研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多孔聚合物塗層（PPCs），這(zhè)種(zhǒng)塗層能(néng)夠以廉價且可擴展的方式來控制建築物的光和熱。他們利用PPCs在太陽波長(cháng)下的光學(xué)可切換性來調節太陽的加熱和采光，并將(jiāng)這(zhè)一概念擴展到熱紅外波長(cháng)以調制物體輻射的熱量。這(zhè)項研究成(chéng)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(xué)與工程助理教授Jyotirmoy Mandal說：“我們的研究表明，通過(guò)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。”“通過(guò)在中空的塑料或玻璃闆中放置這(zhè)種(zhǒng)PPCs，我們可以制造出可以調節室内溫度和光線的建築圍護結構。”

　　該團隊的設計與智能(néng)窗戶相似，但是具有更高的光學(xué)可切換性，并且使用更簡單、更便宜的材料建造而成(chéng)，可以使其大規模實現。它建立在早期工作的基礎之上，展示了一種(zhǒng)具有納米級至微米級氣孔的塗料狀含氟聚合物塗料，可以使建築物降溫。但是，該塗層是靜态的。“在像紐約這(zhè)樣(yàng)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(kāi)始了PPCs光學(xué)開(kāi)關的工作。“我們所看到機制與使紙張潤濕時變成(chéng)半透明的機制相同，但接近最佳水平，”Mandal說。“以前已經(jīng)探讨這(zhè)一現象的物理原理，但是我們看到的劇烈轉換導緻我們探索了這(zhè)種(zhǒng)特殊情況，以及如何使用它。”

　　諸如紙張之類的多孔材料看起(qǐ)來是白色的，因爲孔隙中的空氣的折射率與多孔材料的折射率不同，導緻它們散射和反射光。當被(bèi)水弄濕時，折射率（約1.33）更接近物質，散射減少，更多的光通過(guò)，使其半透明。當折射率接近時，透射率增加。研究人員發(fā)現，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(bèi)潤濕時，其光學(xué)性質變得均勻，” Yang說。“光不再被(bèi)散射，而是像穿過(guò)固體玻璃一樣(yàng)，多孔聚合物變得透明。”

　　研究人員證明，基于ppc的屋頂可以在反射和透射狀态之間切換，可以用來控制建築物的室内溫度。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(jiāng)其PPC的日光透射率更改約74%。對(duì)于可見光部分，變化爲80%。盡管切換速度比典型的智能(néng)窗慢，但是透射率的變化卻要高得多，這(zhè)使得PPCs在控制建築物中的日光方面(miàn)具有吸引力。

　　研究人員還(hái)研究了如何將(jiāng)光開(kāi)關用于溫度調節。“我們設想在夏天屋頂是白色的以保持建築物的涼爽，而在冬天則變黑以加熱它們，這(zhè)可以大大降低建築物的空調和供暖成(chéng)本”，Yang說。

　　爲了驗證他們的想法，研究人員將(jiāng)含有PPC的面(miàn)闆放在黑色屋頂的玩具屋上。一個面(miàn)闆是幹燥且反射性的，而另一個面(miàn)闆是潮濕且半透明的，下面(miàn)是黑色的屋頂。在夏日正午的陽光下，白色屋頂的溫度比周圍空氣涼爽約3攝氏度/5華氏度，而黑色屋頂的溫度比周圍的空氣熱了大約21攝氏度/38華氏度。

　　該小組還(hái)研究了熱紅外波長(cháng)的切換，并觀察了通過(guò)潤濕紅外透明聚乙烯PPC在“冰室”到“溫室”狀态之間的新切換。幹燥時，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(yàng)。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(cháng)，因此會像溫室一樣(yàng)阻擋輻射熱。由于它們同時調節太陽輻射和熱輻射，因此可以在白天和晚上調節熱量。

　　“雖然這(zhè)種(zhǒng)轉變很簡單，但與其他光學(xué)系統中的轉換相比，這(zhè)種(zhǒng)轉換是非常不尋常的，而且可能(néng)是首次報道(dào)，” Mandal說。

　　Yang的團隊還(hái)測試了其他潛在的應用，例如熱僞裝和可響應雨水的塗料。後(hòu)者可用于冷卻或加熱地中海氣候區和加利福尼亞沿海地區的建築物，這(zhè)些地區夏季幹燥而冬季多雨。研究人員現在正在尋找擴大設計規模的方法，并探索大規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(néng)，我們希望它們的應用能(néng)夠得到廣泛應用，尤其是它們在建築立面(miàn)上的潛在應用使我們感到興奮。”

　　Mandal目前是加利福尼亞大學(xué)洛杉矶分校Schmidt科學(xué)研究員，正在做博士後(hòu)研究，他補充說：“我們特意爲我們的工作選擇了通用的聚合物和簡單的設計。其目标是使它們在當地可制造，并可在發(fā)展中國(guó)家實施，因爲在發(fā)展中國(guó)家，它們將(jiāng)産生最大的影響。”

　　這(zhè)項研究的标題是“具有可調節的光透射率的多孔聚合物，用于光學(xué)和熱調節”。