多孔聚合物涂层可动态控制光和热

慧正资讯：这种多孔聚合物涂层在被润湿时从白色变为透明，可以放入塑料外壳中制成控制建筑物光线和温度的面板。哥伦比亚工程大楼将超过30%的能源用于供暖、制冷和照明系统。诸如凉爽屋顶涂料之类的被动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，因此对日常或季节性的变化均无响应。

图片来源：Jyotirmoy Mandal

哥伦比亚大学工程研究人员已经开发出多孔聚合物涂层（PPCs），这种涂层能够以廉价且可扩展的方式来控制建筑物的光和热。他们利用PPCs在太阳波长下的光学可切换性来调节太阳的加热和采光，并将这一概念扩展到热红外波长以调制物体辐射的热量。这项研究成果于2019年10月21日在《Joule》期刊发表。

该研究的主要作者，袁阳（Yuan Yang）实验室前博士生，材料科学与工程助理教授Jyotirmoy Mandal说：“我们的研究表明，通过用酒精或水等常见液体润湿PPCs，我们可以可逆地改变它们在太阳光和热光波段的透射率。”“通过在中空的塑料或玻璃板中放置这种PPCs，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、更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，展示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。“在像纽约这样夏季温暖而冬季寒冷的地方，可以在供暖和制冷模式之间切换的设计会更加有用，”Yuan Yang说。

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PPCs光学开关的工作。“我们所看到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，”Mandal说。“以前已经探讨这一现象的物理原理，但是我们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，因为孔隙中的空气的折射率与多孔材料（？1.5）的折射率不同（？1），导致它们散射和反射光。当被水弄湿时，折射率（约1.33）更接近物质，散射减少，更多的光通过，使其半透明。当折射率接近时，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，当多孔聚合物被润湿时，其光学性质变得均匀，” Yang说。“光不再被散射，而是像穿过固体玻璃一样，多孔聚合物变得透明。”

图片来源：Jyotirmoy Mandal

研究人员证明，基于ppc的屋顶可以在反射和透射状态之间切换，可以用来控制建筑物的室内温度。由于醇和含氟聚合物的折射率几乎完全匹配，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PPCs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。“我们设想在夏天屋顶是白色的以保持建筑物的凉爽，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”，Yang说。

为了验证他们的想法，研究人员将含有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，下面是黑色的屋顶。在夏日正午的阳光下，白色屋顶的温度比周围空气凉爽约3摄氏度/5华氏度，而黑色屋顶的温度比周围的空气热了大约21摄氏度/38华氏度。

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”状态之间的新切换。干燥时，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。

“虽然这种转变很简单，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，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。”

Mandal目前是加利福尼亚大学洛杉矶分校Schmidt科学研究员，正在做博士后研究，他补充说：“我们特意为我们的工作选择了通用的聚合物和简单的设计。其目标是使它们在当地可制造，并可在发展中国家实施，因为在发展中国家，它们将产生最大的影响。”

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”。