可持续发展是全人类的共同话题，零能耗建筑是其中重要组成部分。然而，如何在不消耗能量的条件下让建筑提供舒适室温、实现冬暖夏凉的目的呢？最近，电子科技大学的崔家喜教授团体开发了一类低成本、易使用、零能耗的冬日供热、夏日制冷涂料。
近年来，各种节能涂层涌现，其中最有应用前景的涂料是被动制冷涂料。这种涂料一方面可以反射波长（λ）在〜0.3–2.5 μm范围内的太阳光从而避免太阳能对建筑物的加热，而同时又可以允许热量通过大气长波红外（LWIR）传输窗口（λ 〜 8–13 μm）传递到外太空去，可实现白天辐射降温。然而，目前的被动制冷涂料是静态的，在夏天制冷的同时，会给冬天供暖带来负面影响，颇有“补了西墙、拆了东墙”的嫌疑。如何实现真正的零能耗冬暖夏凉，似乎还任重道远。
针对此，电子科技大学崔家喜教授团队提供了一种新思路：利用动态多孔薄膜来将太阳能采暖与太阳光反射以及辐射冷却两种功能结合起来，从而实现节能环保的冬暖夏凉的智能转换。该动态多孔有机硅薄膜在特定的刺激下可以在透明的实体状态（透过太阳光）与反光的多孔状态（反射太阳光）之间转换（图1）。当将此智能薄膜与具有光热功能的含炭黑颗粒（CBP）有机硅胶涂层相结合，可制备得可控加热制冷双功能涂料。此双层智能薄膜结构在透明状态下可以吸收约95％的阳光，而在多孔状态下则反射约93％的太阳辐射，同时向外太空发射约94％的LWIR辐射。
图1. 可切换的空腔化过程以及冷却/加热转换过程探索。
在实际的应用测试中，该智能多孔薄膜材料表现出优异的热控性能。在寒冷的天气中，以周围空气温度为〜10°C的环境为例，该双层可切换多孔薄膜可在795 W•m-2的平均太阳照射强度（Isolar）下实现自身表面温度升高〜18°C（图2）。而在炎热环境中，以空气温度为〜35°C的环境为例，在入射太阳辐射为768 W•m-2的情况下，处于多孔状态下的薄膜材料可以引起的自身表面温度下降（ΔT）为〜5°C。除此之外，加热和冷却之间的切换甚至可以在同一天的不同时间段进行。除了具有出色的冷却和加热性能外，该材料的制造方法也很简单方便且可扩展。双层可以制成坚固的自支撑膜（抗张强度：6 MPa，拉伸应变：> 100％），也可以通过喷涂或浇铸方法用作各种基材的涂层。由于SPDMS对刮擦具有很高的敏感性，因此即使将双层涂层应用到诸如陶瓷（用于建筑的材料）之类的刚性基材上，也很容易在冷却状态和加热状态之间切换双层涂层。
图2. SPDMS-CBP可切换多孔双层薄膜的太阳能加热和白天辐射冷却性能探索。
该研究成果近日发表在Advanced Materials 上。该工作第一作者为赵怀霞博士，崔家喜教授为通讯作者。
Switchable Cavitation in Silicone Coatings for Energy-Saving Cooling and Heating
Huaixia Zhao, Qiangqiang Sun, Ji Zhou, Xu Deng, Jiaxi Cui
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000870
崔家喜，电子科技大学教授。2008年于北京大学获得博士学位，博士毕业后依次在北京大学、德国马普高分子所、美国哈佛大学、德国莱布尼茨新材料研究所工作，2016年起就职于电子科技大学。其课题组主要关注聚合物网络中的多层次动态行为及其在仿生材料、节能抗污涂层方面的应用，近年在Nature Materials, Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Advanced Functional Materials等国际一流期刊上发表多篇论文。参与撰写两本英文书籍，申请了多项专利，其发展的技术应用于美国、德国和中国多家公司。
https://www.x-mol.com/university/faculty/50183
Q：这一工作面向实际生活中的重大需求，相对前期的研究，有那些突破？
A：被动制冷的研究有一些时间了，特别是最近，在低成本的被动制冷方面涂料和薄膜方面取得了长足进步。但是，在实际应用中，制冷效果会增加冬天供暖的成本。我们这一工作最主要的贡献是可以提供夏天制冷的同时，还可以实现冬天供暖。关键的是，我们提供的方法简单，实用性强，可以使用在现有的建筑上。
Q：刺激响应性的聚合物材料很多，为什么要采取力刺激的策略呢？温敏的策略岂不是更智能？
A：温敏的策略在冬天制热的时候是不利的。因为冬天制热是要利用太阳能的，使其转换为热能。对于温敏涂层，在冬天制热的时候，由于涂层材料本身温度升高，自动转换为制冷的话，会起到南辕北辙的效果。此外，其他响应也是不利的，因为在日常环境中，存在各种刺激，如雨雪、湿度、温度、各种辐照等，如果涂层受这些因素影响或者转换制冷加热功能的话，会降低控温效果和使用寿命。我们的涂层采用比较强的作用力来转换其制冷或者加热功能，避免了这些没有必要的干扰。其实，我们测试了涂层在极端条件下是使用，发现该多孔薄膜材料的光学性能表现出很好的可调节性和环境稳定性，如在经过-196°C或在200°C处理24小时后，涂层还保持其机械性能和光学性能完整性。
A：要设计当前的力刺激多孔化，需要让聚合物网络自动形成两套交联聚合物网络：一个网络处于自然伸展状态，另一网络处于拉伸状态；而且，这一拉伸状态要被界面作用锁住，使得在力刺激打开锁的时候，能立即弹开，从而实现多孔化。设计材料的可逆性也很重要，就是形成多孔化这一热力学稳定的状态后，还能通过压力重新形成热力学不稳定的实心态，就是通过界面作用锁住这一亚稳态，让其不受其它因素的影响，从而实现可逆中空化。特别关键是，需要用一种非常简单的方法来获得这种双动态聚合物网络结构。我们通过水来实现这一点。水是很环保的，因此，我们的涂料不需要任何有机溶剂，非常绿色，原料也便宜易得，很适合大面积使用。
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