为应对夏季酷暑，办公和住宅建筑往往会把空调开得很足，导致能源账单飙升。据估计，空调耗用了美国全部发电量的约6%，每年成本高达290亿美元，而随着全球气温持续攀升，这一开支必将继续增长。
如今，麻省理工学院的工程师开发出一种隔热薄膜，可贴于建筑窗户之上，反射高达70%的入射太阳热量。该薄膜在低于32摄氏度（即89华氏度）时仍能保持高度透明。研究人员表示，温度超过此值后，该薄膜会作为一个“自主系统”来阻隔热量。他们估计，如果建筑所有朝外的窗户都覆盖此薄膜，该建筑的空调及能源成本可降低10%。
该薄膜类似透明保鲜膜，其隔热性能来自嵌入其中的微小颗粒。这些微粒由一种相变材料制成，当温度达到85华氏度或更高时会收缩。在更为紧凑的状态下，这些微粒会使原本透明的薄膜呈现出更为半透明或磨砂的质感。
夏季将其应用于窗户时，该薄膜可在让足够光线透入的同时，被动地为建筑降温。麻省理工学院机械工程教授尼古拉斯·方（Nicholas Fang）表示，这种材料为现有智能窗技术提供了一种经济实惠且节能的替代方案。
“目前市场上的智能窗要么反射太阳热量的效率不高，要么像某些电致变色窗那样可能需要更多电力驱动，结果你等于是在花钱让窗户基本变得不透明，”方说，“我们认为，新的光学材料和涂层或许大有可为，可以提供更好的智能窗选择。”
方及其同事（包括来自香港大学的研究人员）已将研究成果发表在期刊《Joule》上。
“水中的渔网”
一年多前，方开始与香港大学的研究人员展开合作。这些研究人员十分希望找到降低该市建筑能耗的方法，尤其是在夏季，那时该地区气温以高温闻名，空调使用量也达到峰值。
“对于香港这样的大都会而言，应对这一挑战至关重要，因为它们正面临严格的节能期限，”方说道，并提及香港承诺到2025年将能源使用量减少40%。
经过一番快速计算，方的学生发现，建筑获得的大量热量是通过窗户以阳光的形式进入的。
“结果显示，每平方米的面积上，阳光透过窗户带入的热能约为500瓦，”方说，“这相当于约五个灯泡的功率。”
方的团队研究奇特相变材料的光散射特性。他想知道，这类光学材料能否用于窗户，以被动方式反射建筑所吸收的大部分入射热量。
研究人员查阅文献，寻找“热致变色”材料，即能因受热而暂时改变相态或颜色的温敏材料。最终，他们选定了一种由聚（N-异丙基丙烯酰胺）-2-氨基乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐微粒制成的材料。这些微粒类似微小的透明纤维网状球体，内部充满水分。当温度达到85华氏度或更高时，球体基本会挤出所有水分，收缩成紧密的纤维束，以不同方式反射光线，使材料变为半透明状态。
“这就像水中的渔网，”方说，“构成渔网的每根纤维本身都会反射一定量的光。但由于渔网中嵌入了大量水分，每根纤维都更难被看到。而一旦把水挤出，纤维就会显现出来。”
在以往的实验中，其他团队发现，虽然收缩后的微粒能较好地反射光线，但在隔热方面效果欠佳。方及其同事意识到，这一局限源于微粒尺寸：此前使用的微粒收缩后直径约为100纳米，小于红外光的波长，因此热量很容易穿透。
于是，方及其同事延长了每个微粒的分子链，使其在受热收缩后直径约为500纳米。方表示，这一尺寸“更符合太阳光的红外光谱”。
舒适度的差异
研究人员配制了一种隔热微粒溶液，并将其涂布于两片12英寸×12英寸的玻璃之间，制成一块薄膜涂层窗户。他们用太阳模拟器向窗户照射光线，以模拟入射阳光，结果发现，薄膜会因受热而变得朦胧。在测量透过窗户另一侧的太阳辐照度时，研究人员发现，该薄膜能够反射灯源所产生热量的70%。
研究团队还在一个小型量热室内壁铺设了隔热薄膜，并在用太阳模拟器透过薄膜照射光线时测量室内温度。若没有薄膜，室内温度升至约102华氏度，方指出，这“约等于高烧时的体温”。而加上薄膜后，室内温度则保持在更为可接受的93华氏度。
“差别很大，”方说，“这能让舒适度产生显著差异。”
“窗户一直是建筑能效的一大瓶颈，”科罗拉多大学博尔德分校机械工程副教授尹晓波（Xiaobo Yin）说，“能够调节太阳能摄入量的智能窗或将成为改变游戏规则的技术。这项研究的一大优势在于所用材料，它们大幅提升了智能窗的适用性和可制造性。”
展望未来，研究团队计划对该薄膜开展更多测试，以探究调整其配方并以其他方式应用，是否可以改善其隔热性能。
