既透光又隔热 纳米让“窗户”更节能

材料牛注：美国能源部阿贡国家实验室的研究者们通过使用二氧化钒纳米材料，研发出具有单一窗格的窗户，从而提高了能源的利用效率。

美国能源部阿贡国家实验室的研究者们使用纳米材料来改善商业及住宅楼单一窗格窗户的效率。该团队前不久获得了美国能源部高级能源研究计划局三百一十万美元的拨款，用于窗户效率提高的研究。该团队研发的纳米泡沫，被称为有着超热绝缘性和隔音性的纳米网状复合物，利用直径小于一百纳米的气体泡沫来阻隔热量和声音的传递，与此同时，同普通玻璃类似，允许可见光透过。

一位阿贡实验室主要的建筑科学家Ralph Muehleisen说道：“在阻热和隔音的同时确保透明度，这确实是很神奇。研发一个绝缘的涂层相对来说比较简单，但是获得一个薄的，仍能可见的涂层是一个相当大的技术挑战。”

纳米泡沫，被挤压成厚度为三毫米的片状，通过使用微小气泡起到绝热效应，以减少气体分子间的碰撞 ，从而减少了热能的传递。当气泡减小到很小的尺寸时，超热绝缘成为可能。

有大气泡的泡沫可以有类似的作用，但是这些泡沫会分散可见光，使得窗户模糊、透明度降低。这些气泡需要不大于一百纳米的尺寸，分布均匀，在主机中塑造以获得相对清晰的程度。通过比较，一个人类的头发丝大约宽六万纳米，一个DNA分子宽为二到三纳米。

根据高级能源研究计划局统计，美国不同地区的窗户中，单一窗格的窗户所占比例为30-40％。单一窗格的窗户的导热性至少是双层窗的两倍，所以改进这些窗户可以为消费者在能源消耗方面每年减少约一百二十亿美元。

纳米泡沫团队结合来自纳米材料科学家、聚合物科学家、化工、过程和建筑工程师的专家意见，与来自阿贡中心纳米尺度材料（一个科学使用设备的能源部公司）的专家意见。该团队也包括了来自芝加哥大学分子工程学院、劳伦斯伯克利国家实验室和天普大学化学系的研究者。

阿贡实验室副主任Matt Tirrell，与芝加哥大学有密切联系，说道，“这项努力实际上展示了交叉科学协作的力量。通过将这些独特的技能和设备，我们可以在建筑能源效率方面取得重大突破。”

然而，该团队不会满足于研发出该材料的实验室版。研究者们同时研发了经济效益可扩展至商业产品的工序。Jie Li，一位阿贡主要的化学工程师，也是该项目主要的研究者，最近完成了美国能源部实验室特种项目，该项目致力于从国家实验室到市场加速清洁能源转化的科技。

Li说道，“我们知道商业化产品是建筑效率提高的关键步骤。在美国有数十亿平方英尺的窗户。想象一下使这些窗户更有效的影响。这就是你真正见识到科学所带给我们的好处。”

这项纳米泡沫研究建立在阿贡另一项纳米材料研究的基础之上。一些高级能源研究计划局团队的成员致力于一种新型纳米颗粒二氧化钒涂层，这是一种相变材料，不同的温度下表现不同。在低温下，二氧化钒是一种半导体，可以同时允许近红外光和可见光通过。温度升高后，它将具有金属性能，开始阻挡近红外光，这将有利于在夏季反射太阳辐射。目前二氧化钒并未阻挡太多的太阳热能，所以这个膜层必须足够厚，才能做出较暗的消费者愿意接受的玻璃。

通过使用二氧化钒纳米颗粒，该团队研发了一种可以提高近红外阻挡性的膜，在保持可见透明性的前提下更有效的反射太阳辐射。

阿贡研究者们希望通过结合纳米泡沫和二氧化钒，他们可以研发一种单一窗格的玻璃，从而获得与多窗格低排放单元相近的效率。低排放窗户通常有多个惰性气体悬浮其中的玻璃图层。通过使用单一窗格玻璃，这使得新型窗户更加实惠，应用也更加广泛。

原文参考地址：Nanomaterials can help make windows more efficient

感谢材料人编辑部杨鹏程提供素材