暖气开了:下一代建筑材料能消除暖通空调吗?

建设智能材料在过去十年中走过了漫长的道路：他们是毒性较低，比他们的前辈更耐用，更节能。但当今市场上最聪明的材料仍不能有所作为，即使是最原始的生命形式可以做的 - 保持他们的内部环境稳定，外界条件的变化。

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，研究人员在美国哈佛大学和匹兹堡大学 - 包括他 - 希望创建一个新的类，可以做同样的事情材料。经过约两年的研究，科学家们想出了用于创建可自我调节许多不同的因素，包括温度，光照，压力或pH值平衡材料的平台。和他们已经发明了一个原型：一个薄水基凝胶，或水凝胶，当它的冷的（并停止加热时，它不是），以维持一个恒定的温度自动加热。

这项研究，公布于自然七月，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。考虑到建筑占美国能源消耗的近39％- 和加热，通风和空调组成64％的该39％ - 这样的技艺能显著切能量消耗和温室气体排放。

它也可以赢得这些材料的一片蓬勃发展的可持续建筑市场。总部位于加州圣莫尼卡，研究公司IBISWorld公司预计美国市场将达到今年的$ 20.6十亿，增长7.3％从2007年，并在5年内达到$ 45.2十亿。

目标公司大楼

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。”

建筑物的照片通过Aromant通过存在Shutterstock。

即使是在合适的价格，不过，这些材料将仍然有足够的证明。其中最大的担忧将是他们撑起了多久，史密斯说。材料寿命 - 或耐久性 - 和可靠性是计算折旧成本和总成本随着时间的关键。正如史密斯所说的那样，“如果持续一年，你必须不断地改变它，它可能不符合成本效益。”LEED认证将大大有助于赢得信誉建筑师和承包商很长的路要走，他补充说。

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。

移动走出实验室

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。”

她承认存在挑战。制造能够控制其温度在实验室的材料是从制作材料上工作的建筑物以同样的方式相去甚远。“在实验室中，在一个小规模的，你不必很考虑外部环境，”他说。“在建筑物的窗口，你需要考虑的太阳光，风和其他条件很苛刻走出实验室。我们必须找到办法来保护[这些资料]，让他们足够坚固。”

从生活学习

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，就像碎片一样一鲁布·戈德堡机械。而不是让那些可能启动，说玩意儿，碰翻了多米诺骨牌，并最终用锤击在钉子的，研究人员捆绑起来的机械和化学反应，从而在一个无限循环的每个响应对方。

的水凝胶，例如，由两个独立的层。下层包含微小毛发状作出自动膨胀的材料的微观结构 - 使他们站起来 - 当温度低于设定点。当发生这种情况时，尖交付从下层到上层的物质，掀起创建热的化学反应。随着温度的升高，微结构躺回去，结束了热生成反应。

这个概念可以用一个范围广泛的产热化学反应的工作，使开发人员能够灵活地选择反应 - 和化学品 - 使各种应用的最有意义。看来科学可能性是，好吧，如果不是无止境的，那么只有通过什么样的化学反应可以完成的限制。“这样的设计可以作为整整一代的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。