既透光又隔熱 納米讓“窗戶”更節能

材料牛注：美國能源部阿貢國家實驗室的研究者們通過使用二氧化釩納米材料，研發出具有單一窗格的窗戶，從而提高了能源的利用效率。

美國能源部阿貢國家實驗室的研究者們使用納米材料來改善商業及住宅樓單一窗格窗戶的效率。該團隊前不久獲得了美國能源部高級能源研究計劃局三百一十萬美元的撥款，用于窗戶效率提高的研究。該團隊研發的納米泡沫，被稱為有著超熱絕緣性和隔音性的納米網狀復合物，利用直徑小于一百納米的氣體泡沫來阻隔熱量和聲音的傳遞，與此同時，同普通玻璃類似，允許可見光透過。

一位阿貢實驗室主要的建筑科學家Ralph Muehleisen說道：“在阻熱和隔音的同時確保透明度，這確實是很神奇。研發一個絕緣的涂層相對來說比較簡單，但是獲得一個薄的，仍能可見的涂層是一個相當大的技術挑戰。”

納米泡沫，被擠壓成厚度為三毫米的片狀，通過使用微小氣泡起到絕熱效應，以減少氣體分子間的碰撞 ，從而減少了熱能的傳遞。當氣泡減小到很小的尺寸時，超熱絕緣成為可能。

有大氣泡的泡沫可以有類似的作用，但是這些泡沫會分散可見光，使得窗戶模糊、透明度降低。這些氣泡需要不大于一百納米的尺寸，分布均勻，在主機中塑造以獲得相對清晰的程度。通過比較，一個人類的頭發絲大約寬六萬納米，一個DNA分子寬為二到三納米。

根據高級能源研究計劃局統計，美國不同地區的窗戶中，單一窗格的窗戶所占比例為30-40％。單一窗格的窗戶的導熱性至少是雙層窗的兩倍，所以改進這些窗戶可以為消費者在能源消耗方面每年減少約一百二十億美元。

納米泡沫團隊結合來自納米材料科學家、聚合物科學家、化工、過程和建筑工程師的專家意見，與來自阿貢中心納米尺度材料（一個科學使用設備的能源部公司）的專家意見。該團隊也包括了來自芝加哥大學分子工程學院、勞倫斯伯克利國家實驗室和天普大學化學系的研究者。

阿貢實驗室副主任Matt Tirrell，與芝加哥大學有密切聯系，說道，“這項努力實際上展示了交叉科學協作的力量。通過將這些獨特的技能和設備，我們可以在建筑能源效率方面取得重大突破。”

然而，該團隊不會滿足于研發出該材料的實驗室版。研究者們同時研發了經濟效益可擴展至商業產品的工序。Jie Li，一位阿貢主要的化學工程師，也是該項目主要的研究者，最近完成了美國能源部實驗室特種項目，該項目致力于從國家實驗室到市場加速清潔能源轉化的科技。

Li說道，“我們知道商業化產品是建筑效率提高的關鍵步驟。在美國有數十億平方英尺的窗戶。想象一下使這些窗戶更有效的影響。這就是你真正見識到科學所帶給我們的好處。”

這項納米泡沫研究建立在阿貢另一項納米材料研究的基礎之上。一些高級能源研究計劃局團隊的成員致力于一種新型納米顆粒二氧化釩涂層，這是一種相變材料，不同的溫度下表現不同。在低溫下，二氧化釩是一種半導體，可以同時允許近紅外光和可見光通過。溫度升高后，它將具有金屬性能，開始阻擋近紅外光，這將有利于在夏季反射太陽輻射。目前二氧化釩并未阻擋太多的太陽熱能，所以這個膜層必須足夠厚，才能做出較暗的消費者愿意接受的玻璃。

通過使用二氧化釩納米顆粒，該團隊研發了一種可以提高近紅外阻擋性的膜，在保持可見透明性的前提下更有效的反射太陽輻射。

阿貢研究者們希望通過結合納米泡沫和二氧化釩，他們可以研發一種單一窗格的玻璃，從而獲得與多窗格低排放單元相近的效率。低排放窗戶通常有多個惰性氣體懸浮其中的玻璃圖層。通過使用單一窗格玻璃，這使得新型窗戶更加實惠，應用也更加廣泛。

原文參考地址：Nanomaterials can help make windows more efficient

感謝材料人編輯部楊鵬程提供素材