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让“超材料”科幻变成现实:德州大学新材料可让窗户动态调控光和热
让“超材料”科幻变成现实:德州大学新材料可让窗户动态调控光和热
作者:刘园园 | 2015/8/7 17:40:59 | 浏览:1548 | 评论:0

  德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员又朝智能窗户迈进了一大步。他们研发出一种新的工程材料,可以让窗户透光的同时不传送热量,或者让窗户传送热量的同时遮挡光线。

  这种材料可以让居住者更加精确地控制通过窗户的能量和光照,因此能够大大降低建筑内部制冷或制热的成本。据物理学家组织网7月23日(北京时间)报道,2013年该校化学工程教授迪莉娅·米丽蓉的团队率先在世界范围内研发双频段电致变色材料,这种材料具有显著的光学特征,它可以选择性地控制可见光和产生热量的近红外光。近日,该团队在电致变色材料上取得两项重大突破,一种是高选择性的制冷模式,一种是高选择性的制热模式,这在几年前都被认为是不可能的。两项成果分别发表在《纳米快报》和《美国化学学会杂志》上。

  米丽蓉的团队使用一种纳米复合材料实现了制冷模式,它可以遮挡90%的近红外光并允许80%的可见光通过,这可以在不影响建筑内部采光的前提下显著减少夏季制冷的能耗。另一方面,该团队用概念验证的方法证明,可以使用含有二氧化钛纳米晶体的涂层实现材料的制热模式。在这种模式中,可见光被遮挡,而近红外光则可以通过。这种设计在晴朗的冬季会非常有用,因为在这种模式下居住者可以让尽量多的近红外光透过窗户以传递热量,而减少阳光的刺眼程度。

  两种模式均需要借助微弱的电压实现,但由于所使用的电压不同,所以这种材料可以选择性地遮挡可见光或者红外光,以实现制冷或制热。为了优化电致变色材料的性能,他们将这种纳米复合材料设计成多气孔的网状,这种结构为电子和离子的流动提供了通道,因此使制冷和制热模式的转换速度显著提升:只需要几分钟就可以完成模式切换,而之前的材料需要几个小时才能实现。

  “这两项进展说明对光照进行复杂的动态控制是有可能的,我相信我们精心研制的纳米复合材料可以达到商业化智能窗户对性能和成本的要求。”米丽蓉说。

  总编辑圈点

   想在窗户上体现出节能环保的态度,长久以来我们一直靠窗帘。其实早在上个世纪八十年代,科学家已提出将电致变色材料应用于采光系统中,也就是能动态调节太阳辐射透过率的智能窗。现在,梦幻客机波音787的窗户已使用了电致变色智能调光玻璃。而应用于建筑上的话,人们可以在冬季和夏季分别最大程度地抑制近红外线的辐射和使近红外线透射,从而大幅降低空调和采暖费用。

“超材料”能否让科幻变成现实?
潘希


  想起十几年前的遭遇,仍让清华大学教授周济感觉有点可笑,“当时我听到超材料的概念,后来报项目的时候用上这个词,第一次没上去,一个评委对我说‘你的提法就不能让你上,别人是做材料的,就你叫超材料’。第二次我改成另一个词,后来通过了。”

  事实上,“超材料”指的是一些具有人工设计结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。

  科幻小说《哈利·波特》中那件隐身斗篷,或者现实中的“隐形”飞机、能感应地形的智能鞋子、能复原的弹性陶瓷等等,超材料的应用听起来十分“科幻”。

  然而,全球材料学家和物理科学家正在将上述“科幻”的东西变为现实。超材料也已经从十几年前的一个陌生词汇,转变成如今的研究热点。

  “作为一门新兴学科,超材料值得大家探讨”,在近日举行的中国科协第99期新观点新学说学术沙龙上,专家们为超材料的研究和应用出谋划策。

  超材料的新奇之处在于,通过复杂的人工手段对物质原子、分子施加影响,改变材料的力学性质,让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲。可应用于通信、医疗、航空航天、军工等众多行业。

  不过,在从事多年电磁屏蔽和隐身材料研究的中国兵器工业集团第五三研究所总师于名讯看来,很多超材料的机理没有摸清楚,同时,目前的科学研究侧重于概念,而非实际性能。所以,“这是超材料做了10年没有颠覆性进展的原因”。

  超材料被科学家誉为“由材料组成的‘材料’”。国防科大副研究员周永江认为:“超材料的性能要有突破,单材料的性能研究非常重要。而现在,各种材料本身的参数就不全。”

  目前,美国正在开展“材料基因组计划”,希望完善材料所需要的参数,这是一项非常庞大的工程。“现在除了最普通的材料,还有很多新材料,比如,高介电材料、非线性材料,吸波材料等,这些新材料对超材料的支撑依存是非常重要的。”周永江说。

  发达国家的政府、学术界、产业界对超材料技术的研发给予高度重视,制定了相关计划,投入了大量人力和物力。

  例如,美国国防部将超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一,专门启动了研究计划;欧盟组织了50多位顶尖科学家聚焦这一领域的研究,并给予高额经费支持;日本出台了一项研究计划,支持至少两个关于超材料技术的研究项目,每个项目经费约为30亿日元。

  在科学家的眼中,由超材料带来的一场变革已经到来。

  “未来20~50年,超材料可能会对我们的科研和生活产生颠覆性影响。”浙江大学教授彭华新直言,“可以畅想,也许几十年后,隐身斗篷在飞机上一蒙,我们就看不到它了。”

  不过,专家们也表示,从最初的原理到一项技术,到实验室的样品,再到产品上市形成产业,将是一个非常漫长的过程。

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