“汗流浃背”的摩天大楼

我们的建筑在不断变化的温度中浪费掉了大量的能源。然而,哺乳动物却有着低成本的方式来降低温度——“出汗”。Advanced Materials(第39期,第24卷)的封面文章描绘了这一新颖想法,通过使用智能材料,可使“出汗”的聚合物被动地为建筑降温。

Stark教授和他的同事们研究了温敏材料聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)并试图阐述该种材料是不是可以用来让房间保持凉快。PNIPAM具有低临界溶液温度(32 °C)。低于该温度时,这种聚合物溶胀并具有亲水性;高于该温度时,聚合物转变成疏水状态,在此过程中排出水分,即“出汗”。在最初的实验中,研究人员使用了两个相同的模型房子,并替换了他们的屋顶:一个屋顶替换成3毫米厚的部分交联的PNIPAM,另外一个屋顶替换成传统的水凝胶,聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)。随后,房子暴露在相当于中午太阳照射量的日光下。从下面的红外图像中可以看出,房前的地面迅速被加热到了60 °C(红色),而在屋顶上的水凝胶表面仍然呈现阴凉的蓝色。然而,20分钟后,可以看到两个屋顶之间的性能差异:PHEMA屋顶被加热到绿色而PNIPAM屋顶仍保持蓝色。经过长时间的照射,PNIPAM屋顶加热到了和PHEMA屋顶相同的温度(35 °C)。

在一系列的试验后,研究组发现:由于快速蒸发降温,PNIPAM层可保持更长时间的低温。研究组还发现传统的水凝胶在加热时会迅速地在表面产生一层致密的干燥聚合物,它会阻碍水分子的扩散。与此相反,对一个温度敏感型聚合物的照射和加热会导致水分释放和体积减小,此时不会形成干燥的表面。膨胀的水凝胶均匀受热时可作为一个整体来响应温度的变化,在大部分水分蒸发前,它会维持在低临界溶解温度附近。

当然,为了保持建筑物的冷却,该聚合物需要供水,这在热带地区可以通过午后降雨来自发补充。作者表示材料科学家会开发可在夜晚吸收湿气的聚合物来应对无降雨的情况。

作者计算出这种“出汗”的屋顶可以减少高达60%的家庭用电量。因此,“出汗”的摩天大楼也许会出现在未来的生活之中,但目前你绝对不会希望汗流浃背的人坐在你身旁。