假设你在夏天或炎热的气候下试图给房屋降温，这时太阳炙烤着天空。你可能会用一种反射或吸收阳光的材料覆盖屋顶，防止热量进入室内。但如果你生活在一个夏天会转变为冬天的地区，那些能够隔绝热量的屋顶涂层在保温方面也会遇到困难——这会增加供暖成本，并导致建筑物运行以这样或那样的方式，占世界碳排放量的约 28%。
那么，解决方案可能在于一种能够兼顾两者的自适应智能材料：一种在夏天隔绝热量，在冬天阻止热量散失的物质。得益于一种可以在两种相态之间切换的材料——这种材料曾在一位教授的房子屋顶上进行过测试——加州的 शोधकर्ताओं 已经开发出了这样的屋顶涂层。他们于 12 月 17 日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。
“我们工作的全部意义在于，我们的屋顶不仅在炎热的天气里工作，在寒冷的天气里也同样有效，”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 शोधकर्ताओं 之一的 Junqiao Wu 说。
该屋顶的关键材料是氧化钒，一种曾被测试用作窗户涂层的化合物。与大多数金属不同，氧化钒是热的不良导体，这使其成为理想的绝缘体。
当材料处于室温时，太阳的地球增温红外射线可以穿透氧化钒。但当化合物加热到 153°F (67°C) 时，它的性质会发生改变——它会改变相态。它开始阻挡这些红外射线，有效地遮蔽了其下方的物体。换句话说，当温度较低时，它允许阳光进入；当温度较高时，它阻止阳光进入。
除非你正在水星上建造公寓，否则 153°F 对于屋顶来说是一个很高的温度。但 Wu 和他的同事们之前发现，通过添加少量的钨——在材料科学术语中，即“掺杂”氧化钒与钨——他们可以将该化合物的相变点降低到更适宜的 77°F (25°C)。
शोधकर्ताओं 认为他们已经找到了合适的材料。但他们需要一个测试地点。“你不能只在实验室里做，”Wu 说，“因为在实验室里，你没有阳光，没有风，你也不会面对天空。”
他们实验室的屋顶无法进入——而且，当时 COVID-19 大流行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游乐场或停车场等开放区域；他们需要一个可以不间断运行笔记本电脑数天的地方。
还有另一种选择：Wu 的房子。
他们越是考虑，就越喜欢这个主意。这所房子位于旧金山湾区的一座山丘上，没有树木遮挡，可以 uninterrupted 地照射阳光。它也有适宜测试的天气；周围的温度在白天和晚上剧烈波动。
“我有电源，我有 WiFi，”Wu 说。“我住在房子里。我可以维护设备数天。所以我们就是这样进行的实验。”
शोधकर्ताओं 将氧化钒块安装在透明的氟化钡层上，这是一种常用于研究红外射线的化合物，以及一层反光的银作为底层，将其制成一种类似胶带的材料。
Wu 和当时的一名博士后 Kechao Tang 将这种胶带安装在 Wu 家的屋顶上，并在 Wu 的阳台上设置了一个无线测量系统，以监测它对阳光和空气温度变化的响应。与两种不同的现有屋顶涂层方法——一种是白色的，另一种是黑色的——进行比较，他们发现，虽然白色涂层在阳光直射下表现更好，但在大多数其他条件下，他们的材料表现更好。
但湾区几乎不能代表世界上的所有气候——其天气可以通过向一个方向仅仅几英里的距离而发生剧烈变化——而且 शोधकर्ताओं 仅在一天的夏季对该材料进行了测试。
因此，在 Wu 实验室的一名远程实习高中生 Finnegan Reichertz 的帮助下， शोधकर्ताओं 利用屋顶实验的数据进行了计算机模拟，以了解该涂层在北美 15 种不同气候下的表现，这些气候范围从新墨西哥州的沙漠到芝加哥严酷的冬季，再到太平洋西北地区的雨水。
模拟显示，该涂层在夏季炎热、冬季寒冷的气候下效果特别好。“对于佛罗里达，它不会很好地工作，”Wu 说。“对于夏威夷，不行。对于阿拉斯加，太冷了——也不行。但对于所有中间的温带气候区，它都会很好地工作。” 在他们模拟的 15 种气候中的 12 种中，该材料比现有的屋顶涂层节省了更多的能源。
现在，Wu 说，他们计划在 2022 年为该材料申请专利，并寻找有效制造大量该材料的方法——或一种具有相同特性的类似材料。“我们正在努力提高性能，同时使其具有可扩展性，”他说。
如果 Wu 所说属实，这些智能涂层不仅适用于屋顶。Wu 设想它们可以用于太空探索，以在地球大气层外极端环境中保持航天器内部的舒适温度。更接近地面，该涂层可能用于消费电子产品或纺织品。例如，有一天你可能会穿一件外套或在一顶涂有相变氧化钒的帐篷下露营——在一分钟内保持凉爽，然后在下一分钟保持温暖。
