用于建筑节能调节的透明超材料可以像荷叶一样自我清洁

卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员在《自然通讯》杂志上介绍了一种具有独特性能的聚合物基材料。这种材料可以让阳光进入，无需额外能源即可保持更舒适的室内气候，并像荷叶一样自我清洁。这项新开发成果未来可能会取代墙壁和屋顶的玻璃组件。研究团队已在KIT校园的户外测试中成功测试了这种材料。

最大限度地利用建筑物中的自然光是一种流行做法，可以节省能源成本。然而，传统的玻璃屋顶和墙壁也存在眩光、缺乏隐私和过热等问题。涂层和光扩散材料等替代解决方案尚未提供全面的补救措施。

新材料集多种功能于一身

卡尔斯鲁厄理工学院微结构技术研究所(IMT)和光技术研究所(LTI)的研究人员现已开发出一种新型聚合物基超材料，它结合了多种特性，未来可以取代建筑中的玻璃部件。

这种基于聚合物的微光子多功能超材料(PMMM)由硅树脂制成的微型金字塔组成。这些微型金字塔的尺寸约为10微米，约为头发直径的十分之一。这种设计使PMMM薄膜具有多种功能：光扩散、自清洁和辐射冷却，同时保持高透明度。

“一个关键特性是能够有效地通过地球大气层的长波红外传输窗口辐射热量，将热量释放到寒冷的宇宙中。这使得被动辐射冷却无需耗电，”IMT和LTI教授BryceS.Richards解释道。

散热、透光、无眩光

在实验室和真实室外条件下的露天实验中，研究人员测试了该材料的特性，并使用现代分光光度法测量了其透光率、光散射、反射特性、自清洁能力和冷却性能。

测试结果显示，与环境温度相比，该材料的温度降低了6°C。此外，该材料的光谱透射率(即透明度)高达95%。相比之下，玻璃的透明度通常为91%。同时，微金字塔结构会散射73%的入射阳光，从而产生模糊的外观。

“当这种材料用于屋顶和墙壁时，它可以为工作和生活提供明亮、无眩光且隐私得到保护的室内空间。在温室中，高透光率可以提高产量，因为光合作用效率估计比玻璃屋顶温室高9%”，IMT小组负责人GanHuang说道。

微型金字塔还赋予PMMM薄膜超疏水特性，类似于荷叶：水珠凝结成水滴，清除表面的污垢和灰尘。这种自清洁功能使材料易于维护且经久耐用。

建筑和城市发展的潜力

“我们新开发的材料有潜力应用于各个领域，并对可持续和节能建筑做出重大贡献，”理查兹解释道。

“这种材料可以同时优化室内阳光的利用，提供被动冷却，并减少对空调的依赖。该解决方案具有可扩展性，可以无缝集成到环保建筑建设和城市发展计划中，”黄说。

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