這種多孔聚合物涂層在被潤(rùn)濕時(shí)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(guò)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(dòng)設(shè)計(jì)在減少這種用法及其對(duì)環(huán)境和氣候的影響方面已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路，但是它們有一個(gè)關(guān)鍵的局限性——它們通常是靜態(tài)的，因此對(duì)日?；蚣竟?jié)性的變化均無(wú)響應(yīng)。

　　哥倫比亞大學(xué)工程研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多孔聚合物涂層（PPCs），這種涂層能夠以廉價(jià)且可擴(kuò)展的方式來(lái)控制建筑物的光和熱。他們利用PPCs在太陽(yáng)波長(zhǎng)下的光學(xué)可切換性來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)的加熱和采光，并將這一概念擴(kuò)展到熱紅外波長(zhǎng)以調(diào)制物體輻射的熱量。這項(xiàng)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(yáng)（Yuan Yang）實(shí)驗(yàn)室前博士生，材料科學(xué)與工程助理教授Jyotirmoy Mandal說(shuō)：“我們的研究表明，通過(guò)用酒精或水等常見(jiàn)液體潤(rùn)濕PPCs，我們可以可逆地改變它們?cè)谔?yáng)光和熱光波段的透射率。”“通過(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)?！?/p>

　　該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)與智能窗戶相似，但是具有更高的光學(xué)可切換性，并且使用更簡(jiǎn)單、更便宜的材料建造而成，可以使其大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。它建立在早期工作的基礎(chǔ)之上，展示了一種具有納米級(jí)至微米級(jí)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。“在像紐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(shè)計(jì)會(huì)更加有用，”Yuan Yang說(shuō)。

　　當(dāng)Mandal注意到幾滴酒精濺到白色含氟聚合物PPC上使它透明時(shí)，該團(tuán)隊(duì)偶然地開(kāi)始了PPCs光學(xué)開(kāi)關(guān)的工作?！拔覀兯吹綑C(jī)制與使紙張潤(rùn)濕時(shí)變成半透明的機(jī)制相同，但接近最佳水平，”Mandal說(shuō)?！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(dǎo)致我們探索了這種特殊情況，以及如何使用它。”

　　諸如紙張之類的多孔材料看起來(lái)是白色的，因?yàn)榭紫吨械目諝獾恼凵渎逝c多孔材料的折射率不同，導(dǎo)致它們散射和反射光。當(dāng)被水弄濕時(shí)，折射率（約1.33）更接近物質(zhì)，散射減少，更多的光通過(guò)，使其半透明。當(dāng)折射率接近時(shí)，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(dāng)多孔聚合物被潤(rùn)濕時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)變得均勻，” Yang說(shuō)?！肮獠辉俦簧⑸?，而是像穿過(guò)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(lái)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(tuán)隊(duì)可以將其PPC的日光透射率更改約74%。對(duì)于可見(jiàn)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(kāi)關(guān)用于溫度調(diào)節(jié)?！拔覀?cè)O(shè)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(shuō)。

　　為了驗(yàn)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(gè)面板是干燥且反射性的，而另一個(gè)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(yáng)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(zhǎng)的切換，并觀察了通過(guò)潤(rùn)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(shí)，多孔聚乙烯PPC反射陽(yáng)光，但散發(fā)出輻射的熱量，就像“冰屋”一樣。弄濕PPC會(huì)使它們透射日光，并且由于典型的液體吸收熱波長(zhǎng)，因此會(huì)像溫室一樣阻擋輻射熱。由于它們同時(shí)調(diào)節(jié)太陽(yáng)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(jiǎn)單，但與其他光學(xué)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(bào)道，” Mandal說(shuō)。

　　Yang的團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了其他潛在的應(yīng)用，例如熱偽裝和可響應(yīng)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(kuò)大設(shè)計(jì)規(guī)模的方法，并探索大規(guī)模部署和測(cè)試它們的機(jī)會(huì)。

　　Yang表示：“鑒于基于PPC的設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性和性能，我們希望它們的應(yīng)用能夠得到廣泛應(yīng)用，尤其是它們?cè)诮ㄖ⒚嫔系臐撛趹?yīng)用使我們感到興奮?！?/p>

　　Mandal目前是加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校Schmidt科學(xué)研究員，正在做博士后研究，他補(bǔ)充說(shuō)：“我們特意為我們的工作選擇了通用的聚合物和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。其目標(biāo)是使它們?cè)诋?dāng)?shù)乜芍圃欤⒖稍诎l(fā)展中國(guó)家實(shí)施，因?yàn)樵诎l(fā)展中國(guó)家，它們將產(chǎn)生最大的影響?！?/p>

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