这种材料利用物理技巧使屋顶在夏天保持凉爽,在冬天保持温暖

这种材料利用物理技巧使屋顶在夏天保持凉爽,在冬天保持温暖

假设你想在夏天或炎热的气候下给房子降温,那时太阳直射头顶。你可能会用一种能反射或吸收阳光的材料覆盖屋顶,防止阳光进入室内。但如果你所在的地区夏天转为冬天,那些能阻挡热量的屋顶涂层也会难以保持热量——这会增加供暖成本,并导致建筑施工在某种程度上造成了全球约 28% 的碳排放。

那么,解决方案可能就在于一种自适应智能材料,它可以同时起到这两点作用:一种物质可以在夏天隔绝热量,在冬天阻止热量外泄。得益于一种可以在两种状态之间切换的材料(这种材料在一位教授的房子顶上进行了测试),加州的研究人员开发出了这样一种屋顶涂层。他们于 12 月 17 日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家、该项目研究人员之一吴俊桥说:“我们工作的重点是,我们的屋顶不仅能在炎热的天气下工作,也能在寒冷的天气下工作。”

屋顶的主要材料是氧化钒,这种化合物之前曾被用作窗户涂层。与大多数金属不同,氧化钒的导热性较差,因此非常适合用作绝缘体。

当材料处于室温时,太阳发出的使地球变暖的红外线可以穿过氧化钒。但当这种化合物加热到 153°F (67°C) 时,其性质就会发生变化——它会改变相态。它开始阻挡红外线,有效地遮蔽下面的物质。换句话说,当天气凉爽时,它会让阳光照进来,而当天气温暖时,它就会挡住阳光。

除非你在水星上建造公寓,否则 153°F 对屋顶来说太高了。但吴和他的同事此前发现,通过添加少量钨(用材料科学术语来说,就是用钨“掺杂”氧化钒),他们可以将化合物的相变点降至更适宜的 77°F (25°C)。

研究人员相信他们已经找到了正确的材料。但他们需要一个地方来测试它。“你不能只在实验室里做这件事,”吴说,“因为在实验室里,你得不到阳光,得不到风,也不能面朝天空。”

他们的实验室屋顶无法进入——而且到那时,COVID-19 疫情已经关闭了实验室的大部分区域。他们不能将屋顶涂层样品放在操场或停车场等开放区域;他们需要一个可以连续几天无人看管地运行笔记本电脑的地方。

还有另一个选择:吴的家。

他们越想越喜欢这个想法。这栋房子位于旧金山湾区的一座小山上,没有树木遮挡,阳光可以不受阻挡地照射到房子里。这里的天气也非常适合测试;周围的温度在白天和晚上变化很大。

“我有电,有 WiFi,”吴说。“我住在房子里。我可以维护设备好几天。这就是我们进行实验的方式。”

[相关:为了抵御酷热,用饥饿、出汗的植物覆盖屋顶]

研究人员将氧化钒块安装在一层透明的氟化钡(一种常用于研究红外线的化合物)和一层底层的反射银上,将它们制成类似胶带的材料。

吴和当时的博士后唐克超将胶带安装在吴家的屋顶上,并在吴家的阳台上设置了无线测量系统,以监测胶带对阳光和空气温度变化的反应。他们将其与两种不同的现有屋顶涂层方法(一种涂成白色,另一种涂成黑色)进行了比较,发现虽然白色涂层在阳光直射下表现更好,但他们的材料在大多数其他条件下表现更好。

但湾区几乎不能代表世界上的每一种气候——它的天气可能因为在一个方向上移动几英里而发生巨大变化——而且研究人员只在一个夏日测试了材料。

因此,在吴实验室远程实习的当地高中生芬尼根·赖歇茨 (Finnegan Reichertz) 的帮助下,研究人员利用屋顶实验的数据,通过计算机模拟涂层在北美 15 种不同气候条件下全年的表现——从新墨西哥州的沙漠到芝加哥的严酷冬季,再到太平洋西北地区的雨季。

根据模拟结果,这种涂层在夏季炎热、冬季寒冷的气候条件下效果尤其好。吴说:“对于佛罗里达州,它的效果不会很好。对于夏威夷,效果不好。对于阿拉斯加,它太冷了——同样不行。但对于所有中温带气候区,它的效果很好。”在他们模拟的 15 种气候条件下,有 12 种情况下,这种材料比现有的屋顶涂层节省了更多的能源。

吴说,现在他们计划在 2022 年为这种材料申请专利,并找到高效生产这种材料的方法,或者生产具有相同特性的类似材料。“我们正在研究如何提高性能,同时使其具有可扩展性,”他说。

如果吴的推测正确,那么这些智能涂层不仅仅适用于屋顶。吴设想它们可以用于太空探索,让车辆内部保持舒适的温度,即使在地球大气层以外的极端环境下也是如此。在地面附近,这种涂层可能用于消费电子产品或纺织品。例如,有一天你可能会穿上一件夹克,或者在涂有相移氧化钒的帐篷下露营——前一分钟保持凉爽,下一分钟就变暖了。

<<:  洛斯阿拉莫斯实验室为何致力于制造新型钚芯这一棘手任务

>>:  需要对抗入侵鱼类?只需引入一个可怕的机器人

推荐阅读

魔法蜡笔:大家的歌曲的号召力与评价

大家喜爱的魔法蜡笔歌 - Mahou no Crayon概述《魔法蜡笔》是一部两分钟的短篇动画片,于...

《天台石岛君索丹岛秀》的魅力与评价:不容错过的剧集和对角色的深入探究

“Tenteko Shishima-kun Sodanshima Show”的魅力与评价《天猫狮子舞...

通过创建自定义键盘快捷键来掌握你的 Mac

也许您也曾皱起眉头,一想到那些看似浪费的几秒钟,您的手从键盘移到鼠标,再移回来,一遍又一遍。时间就是...

谷歌人工智能围棋锦标赛前夕的 5 种致敬人类的方式

今晚将迎来一系列历史性对决的首场:谷歌 DeepMind 团队开发的人工智能程序 AlphaGo 将...

您想要苍蝇吗?

出于对虫子恐惧症患者的尊重,本帖中的一些较为恐怖的图片将会被隐藏,除非您按下此按钮。展示有时,蜘蛛网...

《机神兵队》的魅力与评价:必看的机甲动漫佳作

鬼神兵团综合评论与推荐■ 公共媒体卵子■ 原创媒体小说■ 发布日期1993 年 3 月 25 日■发...

这些 WiFi 车库门存在重大网络漏洞

如果您有 Nexx 品牌的 WiFi 车库门开启器,现在正是卸载它的好时机。一位安全研究人员发现了许...

中国编制迄今最详细月球地​​图集

如果我们想在月球上建立永久的人类居住地,我们需要比现有地图更详细的地图,其中一些地图可以追溯到 20...

这个价格的 Windows 11 Pro 操作系统是必备之选,否则就没戏了

您的计算机是否运行缓慢或速度达不到您想要的速度?在您开始四处购买新计算机之前,可能有一个更简单(且更...

绝对不能错过的动画体验——《Engimon》的魅力与评价

讲述护身符与孩子们的梦想的冒险的动画《魔法使》 ■ 公共媒体剧院■ 原创媒体动漫原创■ 发布日期20...

《五角摇滚》《大家之歌》的魅力与评价

“传递摇滚乐”——回顾大家的歌的杰作1991年2月在NHK教育电视台(现为NHK E-Tele)播出...

可以阻止野火的树

今年夏天,野火肆虐北美森林。干燥炎热的天气使数百万英亩的树木超过了它们的燃烧点。尽管世界各地的消防员...

美国联邦航空管理局应该在哪里测试无人机?

点击此处进入画廊来自 37 个不同州的申请者正在争取成为美国联邦航空管理局 (FAA) 家用无人机试...

《二十四只眼睛》:重新评价一部感人的杰作

《二十四只眼睛》:描绘昭和时代精神面貌的动人杰作■作品概要《二十四只眼睛》是根据坪井荣同名小说改编的...

水果星期天:透彻解析甜蜜故事和人物魅力

水果星期天:一部充满一生难得的邂逅之美的动漫《水果星期天》是 2000 年在 BS NHK 播出的动...