保持室内空间舒适需要大量能源。大约一半的美国家庭能源用于供暖和制冷，这在水电费和温室气体排放中都占了很大一部分。尽管许多建筑物的外墙都填充了绝缘材料以维持理想温度，但其他建筑物（尤其是旧建筑物）的能源效率却令人震惊地低下。
几十年来，科学家们一直在研究更高科技的解决方案来解决这个问题。现在，材料科学家们开发出了一种变色薄膜，它可以在供暖和制冷模式之间切换。这种薄膜比信用卡还薄，只需极少的能量即可运行，并且有朝一日可以包裹住最浪费能源的建筑物，以帮助在夏季散发不必要的热量，并在冬季将其捕获。这项研究结果最近发表在《自然·可持续性》杂志上。
密苏里大学的机械工程师姚翟（音译）说：“这是一个非常令人印象深刻的结果”，他没有参与这项研究。
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新设备利用了一种称为辐射冷却的自然现象，这种现象使室外温度在夜间下降，并有助于冷却整个地球。我们周围的一切，包括我们的身体和建筑物，都在不断地以中红外辐射的形式散发热量：中红外辐射是一种电磁波，其频率低于肉眼可见的光。“人们可以使用热像仪看到物体、看到人类、看到建筑物，这意味着它们 24/7 全天候都在释放能量，”芝加哥大学分子工程师、该研究的资深作者许柏钧（Po-Chun Hsu）说。
如果您从轨道上用热像仪对准地球，您还可以看到热量从地球辐射到寒冷的太空。与其他波长的光相比，我们的大气层幸运地允许更多的中红外线辐射到地球之外。普渡大学的电气工程师彼得·伯梅尔（Peter Bermel）解释说，尽管大部分热量离开了地球，但仍有一些热量被大气中的温室气体捕获——足以扰乱地球的热平衡并导致气温上升，他没有参与这项新研究。随着全球气温升高，科学家们正在开发解决方案，以最大限度地提高通过辐射冷却释放的热量。这些技术包括可以包裹在建筑物周围以使其散发更多热量的薄膜。但是世界上许多地区既有严寒的冬季，也有酷热的夏季。“当室外温度已经低于冰点时，您肯定不希望您的房屋快速降温，”伯梅尔说。
这种两难境地是新型涂层的灵感来源，这种涂层可以通过简单的电流脉冲在高热量排放和低热量排放之间切换。类似的调谐设备已经存在于可见光领域：所谓的动态窗户可以在透明和不透明之间切换，以控制它们透过的光量。但直到现在，还没有建筑薄膜可以对中红外热量做到同样的效果。
新材料从制冷模式开始。在极薄的电导体下方，是一个装有溶解铜离子的少量水的水库。在这种状态下，该装置自然会辐射热量，从而冷却建筑物内部。然后，当导体层施加少量电荷时，溶解的铜会沉积在其表面，在水库上方形成一层薄薄的铜层。由于铜吸收的红外热量排放量很少，因此该装置现在可以捕获热量。这种变化可以反复逆转，尽管重复使用会使效果递减：经过 1,000 次循环后，制冷和制热模式的效率都会降低。
作者估计，如果将这项技术应用于建筑物外部的薄膜，那么在全年温差剧烈的气候条件下，它可以节省 8.4% 的供暖和制冷能源。建筑物也会改变颜色，从夏季的暗白色变为冬季的金属铜色，尽管薄膜可以覆盖一层特殊的油漆，这种油漆不会干扰中红外辐射。
阿卜杜拉国王科技大学的材料科学家兼工程师甘巧强（音译）说：“目前这只是展示该机制的第一步，我们已经看到了非常好的进展”，他没有参与这项研究。与其他一些研究小组之前尝试使用水溶液制造可调谐设备的尝试相比，新系统似乎很有前景。一些被考虑用于类似设备的材料具有高度易燃性，显然不适合包裹建筑物。新型薄膜不会燃烧，但这并不意味着它已经可以投入使用。
除了随着时间的推移效率降低外，新设备的主要缺点是成本高昂。覆盖薄膜外层的薄电极是高质量的石墨烯，这是一种昂贵的单原子层碳阵列。石墨烯的超薄厚度允许热量通过，同时材料仍然导电。为了使这些建筑外壳可行，研究人员将不得不使用更便宜的材料实现相同的效果——并且这些材料可以大规模生产。许柏钧和他的团队计划尝试使用低质量的石墨烯和其他材料，以找到更具成本效益的替代品。他们还计划尝试使用更便宜的金属（如锌）来替代铜。
在价格和性能之间取得平衡需要时间，因此未来几年内，社区可能不会遍布变色环保建筑。但甘巧强说，“这是一个非常非常热门”的研究课题，并且有充分的理由。伯梅尔说，虽然减少约 8% 的能源消耗似乎微不足道，但“如果您从社会规模来考虑，那可能会产生非常重大的影响”。“能源需求和供应方面的几个百分点的变化可能会带来很大的差异。”