这种材料利用物理技巧使屋顶在夏天保持凉爽，在冬天保持温暖

假设你想在夏天或炎热的气候下给房子降温，那时太阳直射头顶。你可能会用一种能反射或吸收阳光的材料覆盖屋顶，防止阳光进入室内。但如果你所在的地区夏天转为冬天，那些能阻挡热量的屋顶涂层也会难以保持热量——这会增加供暖成本，并导致建筑施工在某种程度上造成了全球约 28% 的碳排放。

那么，解决方案可能就在于一种自适应智能材料，它可以同时起到这两点作用：一种物质可以在夏天隔绝热量，在冬天阻止热量外泄。得益于一种可以在两种状态之间切换的材料（这种材料在一位教授的房子顶上进行了测试），加州的研究人员开发出了这样一种屋顶涂层。他们于 12 月 17 日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家、该项目研究人员之一吴俊桥说：“我们工作的重点是，我们的屋顶不仅能在炎热的天气下工作，也能在寒冷的天气下工作。”

屋顶的主要材料是氧化钒，这种化合物之前曾被用作窗户涂层。与大多数金属不同，氧化钒的导热性较差，因此非常适合用作绝缘体。

当材料处于室温时，太阳发出的使地球变暖的红外线可以穿过氧化钒。但当这种化合物加热到 153°F (67°C) 时，其性质就会发生变化——它会改变相态。它开始阻挡红外线，有效地遮蔽下面的物质。换句话说，当天气凉爽时，它会让阳光照进来，而当天气温暖时，它就会挡住阳光。

除非你在水星上建造公寓，否则 153°F 对屋顶来说太高了。但吴和他的同事此前发现，通过添加少量钨（用材料科学术语来说，就是用钨“掺杂”氧化钒），他们可以将化合物的相变点降至更适宜的 77°F (25°C)。

研究人员相信他们已经找到了正确的材料。但他们需要一个地方来测试它。“你不能只在实验室里做这件事，”吴说，“因为在实验室里，你得不到阳光，得不到风，也不能面朝天空。”

他们的实验室屋顶无法进入——而且到那时，COVID-19 疫情已经关闭了实验室的大部分区域。他们不能将屋顶涂层样品放在操场或停车场等开放区域；他们需要一个可以连续几天无人看管地运行笔记本电脑的地方。

还有另一个选择：吴的家。

他们越想越喜欢这个想法。这栋房子位于旧金山湾区的一座小山上，没有树木遮挡，阳光可以不受阻挡地照射到房子里。这里的天气也非常适合测试；周围的温度在白天和晚上变化很大。

“我有电，有 WiFi，”吴说。“我住在房子里。我可以维护设备好几天。这就是我们进行实验的方式。”

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研究人员将氧化钒块安装在一层透明的氟化钡（一种常用于研究红外线的化合物）和一层底层的反射银上，将它们制成类似胶带的材料。

吴和当时的博士后唐克超将胶带安装在吴家的屋顶上，并在吴家的阳台上设置了无线测量系统，以监测胶带对阳光和空气温度变化的反应。他们将其与两种不同的现有屋顶涂层方法（一种涂成白色，另一种涂成黑色）进行了比较，发现虽然白色涂层在阳光直射下表现更好，但他们的材料在大多数其他条件下表现更好。

但湾区几乎不能代表世界上的每一种气候——它的天气可能因为在一个方向上移动几英里而发生巨大变化——而且研究人员只在一个夏日测试了材料。

因此，在吴实验室远程实习的当地高中生芬尼根·赖歇茨 (Finnegan Reichertz) 的帮助下，研究人员利用屋顶实验的数据，通过计算机模拟涂层在北美 15 种不同气候条件下全年的表现——从新墨西哥州的沙漠到芝加哥的严酷冬季，再到太平洋西北地区的雨季。

根据模拟结果，这种涂层在夏季炎热、冬季寒冷的气候条件下效果尤其好。吴说：“对于佛罗里达州，它的效果不会很好。对于夏威夷，效果不好。对于阿拉斯加，它太冷了——同样不行。但对于所有中温带气候区，它的效果很好。”在他们模拟的 15 种气候条件下，有 12 种情况下，这种材料比现有的屋顶涂层节省了更多的能源。

吴说，现在他们计划在 2022 年为这种材料申请专利，并找到高效生产这种材料的方法，或者生产具有相同特性的类似材料。“我们正在研究如何提高性能，同时使其具有可扩展性，”他说。

如果吴的推测正确，那么这些智能涂层不仅仅适用于屋顶。吴设想它们可以用于太空探索，让车辆内部保持舒适的温度，即使在地球大气层以外的极端环境下也是如此。在地面附近，这种涂层可能用于消费电子产品或纺织品。例如，有一天你可能会穿上一件夹克，或者在涂有相移氧化钒的帐篷下露营——前一分钟保持凉爽，下一分钟就变暖了。