暖气开了:新一代的建筑材料会消除暖通空调吗?
在过去的十年里，智能建筑材料取得了长足的进步:它们比以前的材料毒性更小，更耐用，更节能。但是，即使是最原始的生命形式，即使是现在最聪明的材料也无法完成一件事情——当外部条件发生变化时，保持内部环境的稳定。
它被称为体内平衡。例如，当外界温度变化时，健康的人可以将体温保持在98.6华氏度左右，控制他们的氧气和二氧化碳水平，还可以保持血压、盐和糖含量不会降得太低或升得太高。即使是阿米巴原虫也能以适宜的速度保持渗透压。所有生物体内的细胞都管理着ATP的水平，ATP是一种物质，能够在体内从一种生化反应向另一种生化反应产生和流动能量。
“如果你观察活的有机体，它们能做的最基本的事情之一就是调节自身的内部条件，”哈佛大学工程与应用科学学院和汉斯约格·维斯生物工程研究所的博士后何希敏说。她说:“这就是生物如何在不同的季节生存，如何面对生命不断的挑战。”
现在，哈佛大学和匹兹堡大学的研究人员——包括他在内——希望创造出一种新型材料，能够做到同样的效果。经过大约两年的研究，科学家们已经研制出一种能够自我调节多种因素的材料平台，这些因素包括温度、光线、压力或pH值平衡。他们已经发明了一个原型:一种薄的水基凝胶，或水凝胶，它会在冷的时候自动加热(不热的时候停止加热)以保持恒温。
这项研究，公布于自然在7月，可能会对智能建筑产生巨大影响。如果未来的建筑材料能够自己控制温度，它们可能就能消除对空调和供暖的需求。考虑到建筑物占美国能源消耗的近39%还有供暖，通风和空调组成64%其中的39%——这样的成就可以显著减少能源消耗和温室气体排放。
它还能让这些材料在蓬勃发展的可持续建筑市场中分得一杯羹。总部位于加州圣塔莫尼卡的研究公司IBISWorld预计，今年美国市场总额将达到206亿美元，较2007年增长7.3%，五年后将达到452亿美元。
针对建筑企业
IBISWorld的建筑和基础设施分析师Deonta Smith说，如果自我调节材料真的能够以具有竞争力的成本带来显著的节能效果，它们就有“巨大的潜力”来彻底改变可持续工业和商业建筑的市场。“这是一项非常创新的技术;相当惊人，”他说。
成本将是决定自调节材料能否发挥其潜力的关键因素。史密斯说，考虑到新技术通常成本更高，这可能会带来挑战。但他补充说，如果这些材料除了能减少能源费用外，还能减少安装供暖和空调管道系统的成本，并让企业在大楼中拥有更多可用空间，那么它们或许就能证明更高的价格是合理的。他表示:“如果与其他可持续材料相比，这种材料在经济上是合理的，那么企业就会愿意将其用于新建筑。”
然而，即使价格合适，这些材料仍有很多需要证明。史密斯说，最大的担忧之一是它们能坚持多久。材料的寿命(或耐久性)和可靠性是计算其折旧和长期总成本的关键。正如史密斯所言，“如果它持续了一年，你不得不不断地更换，它可能不划算。”LEED certification would go a long way toward winning credibility with architects and contractors, he added.
史密斯预测，如果这些材料确实证明具有成本效益、耐用性和可持续性，大公司将是它们的第一个商业客户。在那之后，他认为这些材料也可以在新公寓和公寓中找到一个巨大的市场。但他预计最早的采纳者将是山姆大叔。史密斯说，如果政府在联邦建筑上尝试这种技术，发现它能减少公用事业费用，并能持续很长一段时间，它可以选择通过税收抵免或其他激励措施将其引入私营部门。
离开实验室
不过，在与山姆大叔合作之前，自我维持的材料首先需要走出实验室。这些材料目前仅处于早期开发阶段，他估计，这种加热凝胶要想成为像窗户或绝缘材料那样的市场产品，至少还需要三到四年时间。不过，她认为这项技术获得许可的机会很大。
她说，制造水凝胶实际上是一个“相当简单”的过程，不需要昂贵的设备。她说:“我们认为，扩大规模，制造第一个商业原型，并将其优化为真正的工业化制造并不困难。”“我们认为这真的很有前途，不会花很长时间。”
她承认挑战是存在的。在实验室里制造一种可以控制温度的材料与在建筑上制造这种材料的效果相差甚远。“在小规模的实验室里，你不需要过多地考虑外部环境，”他说。“在建筑物的窗户里，你需要考虑到阳光、风和实验室外其他非常恶劣的条件。我们必须找到保护(这些材料)的方法，使它们足够坚固。”
从生活中学习
当然，即使在实验室里，制造一种能够自我调节的材料也不是一件容易的事。科学家们是怎么做到的呢?受到生物用来维持内部环境的反馈回路的启发，它们将一系列相互连接的动作和反应串联在一起，就像碎片一样鲁布·戈德堡机器。研究人员将机械反应和化学反应结合起来，使两者相互作用，形成一个无穷无尽的循环。
例如，水凝胶是由两层分开的。较低的一层包含了由一种材料制成的微小的发丝状的微观结构，当温度降到设定值以下时，这种材料会自动膨胀并使它们站立起来。当这种情况发生时，tips将一种物质从底层传递到顶层，引发一种化学反应，从而产生热量。当温度上升时，微观结构又回到原来的位置，结束了产生热量的反应。
这一概念适用于广泛的产热化学反应，使开发人员能够灵活地选择最适用于各种应用的反应和化学物质。似乎科学的可能性，如果不是无限的，那么只受限于化学反应所能完成的。“这个设计可以作为整个一代自我调节材料的蓝图，”他说。
她预计，该实验室明年将生产出具有不同能力的其他材料，比如在室外温度上升时保持凉爽，在夜幕降临时发光，或者维持特定的pH值或葡萄糖水平。这可能会导致除了建筑温度控制之外的各种潜在应用。
想象一下，有一种材料可以帮助电子产品在没有风扇或其他外部冷却的情况下保持凉爽;这将使生物医学设备——其中许多设备需要特定的pH值、温度或其他条件——能够在今天无法使用的地方工作，潜在地帮助更多的人;这可能有助于净化水，比如，一个可以自我清洁的水瓶。这些只是他设想的一些想法。“我们还有很多后续研究要做，”她说。
