窗户和屋顶材料可适应季节变化

　　作者：希瑟·M·希尔
　　编译：秦秦
　　图片来源：S. Wang 等人，Science 374 , 1501 (2021）
　　当温度升高时，一种从传输光转换为吸收光的涂层可以节省能源。
　　美国每年约有40%的能源消耗来自建筑物，主要是供暖和制冷。一种很有前途的降低能耗的方法是设计一种建筑材料，在温度高时释放热量，在温度低时让热量进来。一种方法是被动辐射冷却。采用这种方法的材料阻挡了太阳在近红外波段的变暖射线，然后通过发射中红外和长波红外辐射来有效冷却，这些辐射很容易穿过大气到达太空。
　　辐射冷却顾名思义，非常适合温暖的气候。但在寒冷的月份，这种方法适得其反。努力创建一个在热时辐射冷却但在冷时不辐射冷却的系统，迄今为止需要能量输入或其他外部激活。现在，两个独立的研究团队已经开发出能够根据环境温度被动打开和关闭辐射冷却的材料涂层。他们展示了窗户和屋顶可能的节能效果。
　　研究人员使用了一层掺杂钨的二氧化钒，它在由掺杂水平决定的温度下从绝缘体转变为金属。在绝缘状态下，W掺杂的VO2对红外基本上是透明的，而在金属状态下，该层具有很强的吸收能力。除了转变温度之外，掺杂水平还可以调节VO 2层的散热效率。
　　新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)的龙易(Yi Long)领导了其中一个团队。她和她的同事创建了一个大约5 cm   5 cm的窗口样本。他们在商用玻璃上涂上掺W 的VO2和间隔层。光学透射率测量显示在较高温度下以0.61的高长波红外发射率形式有效冷却。（相比之下，一个完美的黑体发射器的值应该为1。）当温度低于27.5 C时，辐射率骤降至0.2 C。
　　为了研究实践中的潜在节能效果，龙易和她的同事模拟了世界各地气候条件下的单层和12 层建筑。12层透明玻璃窗建筑的年基准能耗高达4668.6 MJ/m 2。与没有动态调节的最佳节能窗户相比，他们的动态窗户每年节省高达115.9 MJ/m 2，与商用低辐射玻璃相比可节省高达324.6 MJ/m 2。
　　加州大学伯克利分校的吴俊桥（音译） 和他的同事测试了掺杂W的VO 2作为屋顶瓦片涂层的效果。他们确定了一种红外增强光学结构和理想的W掺杂，在实验室光谱测量中，在低于22 C的温度下产生其辐射率低至0.2，在22 C以上的温度下，其辐射率高达0.9。
　　吴俊桥和他的同事们还在伯克利的一个屋顶上测量了一个阳光明媚的夏日里样品的温度。与具有一致辐射强度0.9 的商业屋顶涂料相比，它们在白天的高温下提供了大致相同的冷却效果，在夜间和清晨的温度要高出2 C左右。对于马里兰州巴尔的摩市的一个独栋住宅，研究人员预测，他们的材料每年至少可以节省22.4 MJ/m2的能源。
　　展望未来，龙易和她的团队计划改善他们当前复合材料的性能。与此同时，吴俊桥和他的团队打算在现实条件下测试更大规模的版本。除了建筑材料，掺W的VO 2还可用于电子产品、汽车或其他需要屏蔽极端温度的物体。