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。
这就是所谓的动态平衡。健康人，例如，保持约98.6度体热作为外部温度变化，管理他们的氧气和二氧化碳的水平，并保持其血液中的压力，盐和糖含量降得低或爬太高。即使是变形虫维持其在宜居率渗透压。和细胞所有生物管理他们的ATP，使生产和内部从一组到另一个生化反应的能量流动的物质水平。
“如果你看看活的生物体，最基本的东西，他们都可以做的是调节自己的内部条件之一，”西民他，在工程和应用科学的哈佛学院和汉萨乔根·威斯研究所的博士后研究员说生物启发的工程。“这是生物在不同季节如何生存，面临着不断的挑战生活抛出他们，”她说。
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，在揭幕自然在7月，可能对智能建筑产生巨大的影响。如果未来的建材可以控制自己的温度，他们也许能消除对空调和暖气的需要。鉴于建筑物占美国能源消耗的近39%还有供暖，通风和空调补偿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
如果自我调节的材料可以以具有竞争力的成本真正实现显著的节能效果，他们有“很大的潜力”，以彻底改变市场对可持续的工业和商业建筑，建筑和基础设施分析师IBISWorld公司Deonta史密斯说。“这是一个非常创新的技术，太不可思议了，”他说。
成本将是决定自我调节的材料是否符合自己的潜力的关键因素。这也将构成挑战，考虑到新技术往往成本较高，史密斯说。但是，如果除了减少能源账单，这些材料可以消除安装暖气和空调管道的成本，让企业在建筑物更多的可用空间，他们可以证明更高的价格，他补充道。“如果这是有道理的经济相比其他可持续材料，那么公司将开放给把它在新的建筑，”他说。
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认证对于赢得建筑师和承包商的信任大有帮助，他补充道。
如果这些材料做证明成本效益和可持续的，史密斯预测，大公司将是他们的第一个商业客户。在那之后，他认为这些材料还可以在新的公寓和公寓，找到一个大市场。但他预计，最早的采用者将是山姆大叔。如果政府试图认为它减少水电费，持续很长一段时间的联邦建筑和认定的技术，可以选择将它引入了税收抵免或其他奖励私营部门，史密斯说。
离开实验室
与山姆大叔越来越之前，虽然，自我维持的材料首先需要拿到实验室进行。他们在早期的发展现在只能是和他估计至少加热凝胶遗体成为了成熟的产品三四年了，如Windows或绝缘。不过，她认为该技术具有的获得许可的好机会。
使得水凝胶实际上是一个“非常简单”的过程，不需要昂贵的设备，她说。“我们想象它不会是难以放大，使第一个商业原型，并优化它变成真正的工业化制造，”她说。“我们认为这应该是真正有前途的和很长的而不是索取。”
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
即使在实验室，当然，做一个自我调节的材料是不小的壮举。科学家们是如何做到的？通过微生物利用来维持其内部环境的反馈回路的启发，他们已经串成了一系列的行动和反应互连样件鲁布·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。
她预计该实验室将产生具有不同能力的其他材料 - 如保持冷静，当外界气温升高，当夜幕降临创造光或维持特定的pH或葡萄糖水平 - 在未来的一年。这可能会导致各种超出建筑控制温度的应用潜力。
试想一下材料，可以帮助保持电子冷却，无需风扇或其他外部冷却;这可以使生物医学设备 - 其中许多需要特定的pH值，温度或其他条件 - 工作在地方，他们不能用今天，有望帮助更多的人;并且可以帮助净化水质，如 - 也许 - 自清洗水的瓶子。这些仅仅是少数人的想法，他设想。“我们有很多后续的研究做的，”她说。
