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。鉴于建筑占美国能源消耗的近39％- 和加热，通风和空调化妆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。

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。”

建筑的照片通过Aromant通过存在Shutterstock。

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。

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

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。

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。

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。