热致变色材料可使室内温度控制更节能

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莱斯大学的研究人员开发出一种智能材料，可以根据温度变化调整其透明度，在耐用性、透明度和响应性方面均优于同类材料。根据《焦耳》杂志发表的一项新研究，这种新型聚合物混合物可以显著提高室内空间制冷的能源效率。
降温可能事关生死，但空调（如果有的话）已经占到世界能源使用量的 7% 和碳排放量的 3%。随着全球气温创下历史新高，热浪越来越频繁，对更有效的室内温度控制方法的需求也变得更加迫切。
缓解这一问题的一种方法是使用隔热材料覆盖窗户，同时允许光线通过。热致变色材料就是其中一种材料，但现有的材料仍然过于昂贵且寿命短，因此不适合用于建筑物、车辆和其他需要的地方。
由普利克尔·阿贾扬 (Pulickel Ajayan) 领导的纳米材料实验室的赖斯工程师开发的新型盐聚合物混合系统克服了这些挑战，有可能实现热致变色材料作为节能的室内空间冷却技术的大规模部署。
图片来源：莱斯大学
“想象一下，随着天气变暖，窗户变得不那么透明，无需消耗能源就能保持室内凉爽，”莱斯大学材料科学和纳米工程博士生、这项研究的共同主要作者 Sreehari Saju 说道。“我们的配方利用有机和无机成分来克服现有热致变色材料的局限性，例如寿命短和成本高。
“此外，这种材料的热响应与现实世界的环境需求非常匹配。我们认为，用这种材料制成的智能窗户可以显著降低建筑物的能源消耗，对能源成本和碳足迹产生切实的影响。”
研究人员将实验方法与计算机模拟相结合，以了解该材料在不同环境和建筑设置下的行为。例如，他们评估了该材料在世界各地特定城市地区的表现，以了解其大规模部署时的潜在影响。
“我们的方法是独一无二的，因为它需要精确平衡材料和技术，而这种组合以前从未探索过，这为开发智能材料提供了一条新途径，”Ajayan 研究小组的研究员、这项研究的共同主要作者 Anand Puthirath 说。“我们进行了全面的实验来表征材料的特性，并进行了环境稳定性和耐久性测试，结果表明，我们的混合物可以胜过现有的热致变色材料。”
Pulickel Ajayan 实验室开发的新型热致变色材料被添加到玻璃板上。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
研究人员通过将两种聚合物与一种盐混合来合成这种材料，并致力于优化成分，以实现透明和不透明状态随温度波动的平稳过渡。他们的研究结果表明，这种新的热致变色混合物不仅能高效调节太阳辐射，而且非常耐用，预计使用寿命为 60 年。
“这些研究成果为热致变色材料的耐用性和性能设定了新的基准，特别是在简单实用的系统中，”该研究的通讯作者、莱斯大学的本杰明 M. 和玛丽格林伍德安德森工程学教授兼材料科学和纳米工程学教授兼系主任阿贾扬说。
“我们的工作解决了可持续建筑的一个关键挑战，为提高建筑能源效率提供了实用且可扩展的解决方案。”
该材料的热致变色行为由香港中文大学沙田分校电子工程系龙毅教授及其博士生王善成合作研究。
更多信息： Sreehari K. Saju 等人，热致变色聚合物共混物，Joule (2024)。DOI：10.1016/j.joule.2024.07.020
期刊信息： Joule