「神奇的屋顶涂料」•冬天保暖夏天降温材料《Science》发文

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2021年12月17日，加州大学伯克利分校材料科学与工程系吴军桥教授团队在《Science》发文，报道了一种全天候智能屋顶涂层可以在不消耗天然气或电力的情况下，让房屋在冬天保持温暖，在夏天保持凉爽。

据悉，这种温度自适应辐射涂层（temperature-adaptive radiative coating ，TARC）是第一种通过调节辐射冷却速率在炎热天气降温和寒冷天气升温之间自动切换的屋顶涂料。值得一提的是，这项突破性技术不仅能使房屋冬暖夏凉，而且在节能方面优于商用凉爽屋顶系统。

图1. TARC 可以在不消耗天然气或电力的情况下实现房屋的热调节

要知道，当前商用的凉爽屋顶系统，主要使用具有浅色或深色的“冷色”表面，如反射涂层、薄膜、木瓦或瓷砖，通过反射阳光为房屋降温。同时，这些系统还以热红外辐射的形式散发出一些吸收的太阳能热量；在辐射冷却的自然过程中，热红外光从表面辐射出去。该技术又被称为被动辐射冷却技术，

然而，这种效果仅仅适用于温暖的月份（比如夏天），以节约能源。但是凉爽屋顶系统的问题在于它们在冬天继续辐射热量，从而推高了供暖成本。

“而我们的新材料TARC可以通过在冬天自动关闭辐射冷却来实现节能，克服过冷问题，” 吴军桥教授说道，“换句话说，我们的智能屋顶涂料可以根据室外空气温度，自动调节辐射冷却速率，实现夏天凉爽到冬天温暖的完美切换，就像是一台无需要供能、无排放的空调和暖气一体机，”

相关研究成果以“Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation”为题，发表在《Science》上。

绝缘体到金属状态的自动切换，是智能调节温度的关键

早在几年前，吴军桥教授就开始琢磨，是否有一种材料可以在炎热天气的辐射冷却和寒冷天气的保温之间自动切换。在团队前期的研究基础上，吴教授推测钨掺杂的二氧化钒（WxV1-xO2）或许就是他们想找的理想材料。

2017年，吴军桥教授的研究团队发现，二氧化钒中的电子对电的响应行为像金属，对热的响应行为像绝缘体。换言之，二氧化钒是良好的导电体，但不导热。 当温度低于约 67 ℃（153 华氏度）的二氧化钒对热红外光也是透明的，因此不吸收红外光。但是，一旦二氧化钒达到 67 ℃，它就会转变为金属状态，开始吸收热红外光。这种从一个相切换到另一个相的能力—从绝缘体到金属——是大家所熟知的相变材料的特征。

此外，研究还表明，用钨替代二氧化钒中1.5% 的钒，即 “掺杂”，可将这种材料的相变阈值降低至 25 ℃（77 华氏度）。这是用于智能屋顶涂层的实际应用的理想温度。

图2. 吴教授团队2017年合成的二氧化钒 (VO2) 纳米束显示出奇特的电学和热学特性。（来源：吴军桥/伯克利实验室）

为了探究钨掺杂的二氧化钒在屋顶系统中的表现，团队设计了一个 2 厘米×2 厘米的 TARC 薄膜器件：其中，底层为由银制成的反射层，透明中间层为氟化钡（BaF2）介电层，顶层为光刻图案化的二维薄 WxV1-xO2 块阵列。整个TARC看起来像透明胶带，可以直接贴在屋顶等固体表面上。

图3. 团队成员Kaichen Dong（左）和 Jiachen Li 调整用于开发 TARC 智能屋顶涂层的脉冲激光沉积 (PLD) 设备。 （来源：Thor Swift/伯克利实验室）

研究表明，当在环境温度小于相变温度（TMIT）时，WxV1-xO2处于绝缘状态，对波长范围在8-13微米的热红外光是透明的，因此不会吸收；相比之下，当环境温度大于TMIT时，WxV1-xO2切换为金属状态，会吸收热红外光，从而降低房屋的温度。

图4. TARC 的基本性质和实验表征

TARC节能优于商用屋顶涂料，每个家庭每年可节约10%电力

为了验证TARC 薄膜中的全天候多功能性，研究团队进行了户外屋顶实验，以检测该技术在现实环境中的可行性，并将其性能与商用深色屋顶涂料和商用白色屋顶涂料进行了比较。

图5. 在东湾山进行屋顶实验的装置。 实验数据用于模拟 TARC 在代表美国大陆 15 个不同气候区的城市中全年的表现。

研究团队通过无线测量设备记录了TARC 样本、商业黑暗屋顶样本和商业白色屋顶样本对阳光直射和室外温度变化的响应。结果表明，当环境温度低于 TMIT 时，TARC 比两个参考屋顶涂料高 2°C 。尽管白色屋顶涂层在夏季白天和太阳辐射下的热管理优于 TARC，但TARC 调节屋顶温度更接近加热和冷却设定点（22 和 24°C），且适用于其他季节的白天和所有夜间等条件。因此，与普通屋顶涂料相比，TARC在全年节能方面具有优越性。

根据研究人员的测量，TARC 全年反射约 75% 的阳光，但当环境温度较高（25 ℃以上 ）时，其热辐射率很高（约 90%），促进热量散失到天空。但是，在天气转凉时，TARC 的热辐射率会自动切换到约 20%，有助于保持太阳能吸收和室内供暖的热量。

图6. TARC 在室外环境中的性能表征。

随后，研究人员使用室外实验的数据来模拟 TARC 在代表美国大陆 15 个不同气候区的城市中全年的表现，以预测 TARC 通过减少夏季冷却能源和冬季加热能源的需求而提供的年度节能效果。

根据模拟实验，TARC 在美国 15 个气候区中的 12 个气候区的节能效果均优于现有屋顶涂料，特别是在昼夜温差较大的地区，如旧金山湾区。“安装 TARC 后，美国普通家庭一年可节省大约10%的电力，”论文的第一作者Tang Kechao说道。

“我们通过简单的物理学预测TARC 会起作用，但我们没想到它真的会起作用，”吴教授表示。 “我们最初认为从变暖到变冷的转变不会那么引人注目，但是我们的模拟、户外实验和实验室实验证明并非如此——这真的很令人兴奋。”

未来研究人员计划更大规模地开发 TARC 原型，以进一步测试其作为实用屋顶涂料的性能。同时，TARC 还可能作为一种热保护涂层，以延长智能手机和笔记本电脑的电池寿命，并保护卫星和汽车免受极高或极低的温度影响。此外，它还可用于制作帐篷、温室覆盖物甚至帽子和夹克的温度调节织物，在我们的日常生活中发挥重要的作用。

参考文献：

Tang et al., Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation. Science 374, 1504–1509 (2021). DOI: 10.1126/science.abf7136