多孔聚合物涂层可动态控制光和热

建筑物将其能源消耗的30%以上用于供暖，制冷和照明系统。诸如凉爽屋顶涂料之类的无源设计在减少这种用法及其对环境和气候的影响方面已经走了很长一段路，但是它们有一个关键的局限性-它们通常是静态的，因此对每日或季节性的变化均无响应。

哥伦比亚工程公司的研究人员已经开发出多孔聚合物涂料(PPC)，该涂料可采用廉价且可扩展的方式来控制建筑物的光和热。他们利用了PPC在太阳波长下的光学可切换性来调节太阳加热和采光，并将这一概念扩展到热红外波长以调制物体辐射的热量。他们的作品由Joule发表于2019年10月21日。

该研究的主要作者，曾任博士学位的Jyotirmoy Mandal说：“我们的工作表明，通过用酒精或水等普通液体润湿PPC，我们可以在太阳和热波长下可逆地转换它们的光学透射率。” 袁阳实验室学生，材料科学与工程助理教授。“通过将这种PPC放在空心塑料或玻璃面板中，我们可以制造出可以调节室内温度和光线的建筑围护结构。”

该团队的设计与智能窗户相似，但是具有更高的光学可切换性，并且使用更简单，便宜的材料建造而成，可以使其大规模实现。它建立在早期工作的基础之上，该工作证明了一种具有纳米级至微米级气孔的涂料状含氟聚合物涂料，可以使建筑物降温。但是，该涂层是静态的。杨说：“在像纽约这样的地方，那里的夏季温暖而寒冷，冬季严酷，可以在供暖和制冷模式之间切换的设计会更加有用。”

当Mandal注意到几滴酒精溅到白色含氟聚合物PPC上使它透明时，该团队偶然地开始了PPC光学开关的工作。曼达尔说：“我们所见的机制与使纸张润湿时变成半透明的机制相同，但接近最佳水平。” “以前已经探讨过这种现象的物理原理，但是我们所看到的剧烈转换导致我们探索了这种特殊情况以及如何使用它。”

诸如纸张之类的多孔材料看起来是白色的，因为孔中的空气与多孔材料的折射率(〜1.5)具有不同的折射率(〜1)，导致它们散射和反射光。当被折射率更接近材料的水(〜1.33)润湿时，散射会减少，更多的光会通过，从而变得半透明。当折射率紧密匹配时，透射率增加。研究人员发现，他们的含氟聚合物(〜1.4)和典型的醇(〜1.38)的折射率非常接近。

“因此，当润湿时，多孔聚合物变得光学均质，” Yang说。“光不再被散射，而是像穿过固体玻璃一样通过，多孔聚合物变得透明。”

由于醇和含氟聚合物的折射率匹配近乎完美，该团队可以将其PPC的日光透射率更改约74%。对于可见光部分，变化为〜80%。尽管切换速度比典型的智能窗慢，但是透射率的变化却要高得多，这使得PPC在控制建筑物中的日光方面具有吸引力。

研究人员还研究了如何将光开关用于温度调节。杨说：“我们想像在夏天白色的屋顶可以使建筑物保持凉爽，而在冬天则变黑以加热它们，这可以大大降低建筑物的空调和供暖成本”。

为了检验他们的想法，研究人员将装有PPC的面板放在黑色屋顶的玩具屋上。一个面板是干燥且反射性的，而另一个面板是潮湿且半透明的，显示出下面的黑色屋顶。在夏日正午的阳光下，白色屋顶的温度比周围空气凉爽约3C / 5F，而黑色屋顶的温度则高得多，约为21C / 38F。

该小组还研究了热红外波长的切换，并观察了通过润湿红外透明聚乙烯PPC在“冰室”到“温室”状态之间的新颖切换。干燥后，多孔聚乙烯PPC反射阳光，但散发出辐射的热量，就像“冰屋”一样。弄湿PPC会使它们透射日光，并且由于典型的液体吸收热波长，因此会像温室一样阻挡辐射热。由于它们同时调节太阳辐射和热辐射，因此可以在白天和晚上调节热量。

“虽然获得的很简单，但与其他光学系统中的转换相比，这种转换是非常不寻常的，而且可能是首次报道。” Mandal说。

Yang的团队还测试了其他潜在的应用程序，例如热伪装和可响应雨水的涂料。后者可用于冷却或加热地中海气候区和加利福尼亚沿海地区的建筑物，这些地区夏季干燥而冬季多雨。研究人员现在正在寻找扩大设计规模的方法，并探索大规模部署和测试它们的机会。

Yang表示：“鉴于基于PPC的设计的可扩展性和性能，我们希望它们的应用能够得到广泛应用，尤其是它们在建筑立面上的潜在应用使我们感到兴奋。”

曼达尔目前正在洛杉矶加利福尼亚大学的施密特科学研究员的职位进行博士后研究，他补充说：“我们故意为我们的工作选择了通用的聚合物和简单的设计。目标是使它们在开发中在本地可制造和实现。对他们产生最大影响的国家。”

这项研究的标题是“具有可调节的光透射率的多孔聚合物，用于光学和热调节”。