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慧正資訊：日前，科學家們已經開發出一種四季皆宜的智能屋頂涂料，可以在不消耗天然氣或電力的情況下，讓家里的溫度冬暖夏涼。當地時間16日發表在《Science》雜志上的研究結果指出，新全季屋頂涂料會根據室外空氣溫度自動從制冷切換到保暖。這種溫度自適應輻射涂層（TARC）是第一種通過調節輻射冷卻速率自動在炎熱天氣降溫和寒冷天氣升溫的屋頂涂料，實現這一特性得益于其主要材料——二氧化釩。
領導這項研究的美國加州大學伯克利分校材料科學部門的教職科學家吳俊橋解釋說，許多冷屋面系統的問題在于它們在冬天繼續向外輻射熱量，從而提高了屋內供暖成本。TARC則可以通過在冬天自動關閉輻射熱量來實現節能，克服了冬天過冷的問題。
早在幾年前，吳俊橋就開始思考，是否有一種材料可以在炎熱天氣的輻射冷卻和寒冷天氣的保溫之間自動切換。在團隊前期的研究基礎上，吳教授推測鎢摻雜的二氧化釩或許就是他們想找的理想材料。2017年，吳俊橋和他的研究團隊發現，二氧化釩中的電子對電的行為就像金屬，對熱的行為像絕緣體，換句話說，它們導電良好，但不導熱。低于67℃的二氧化釩對熱紅外光也是透明的，因此不吸收熱紅外光。但一旦二氧化釩達到67℃，它就會轉變為金屬狀態，開始吸收熱紅外光。在這種情況下，從絕緣體切換到金屬正是我們所熟知的相變材料的特征。研究還表明，只用鎢取代二氧化釩中僅1.5%的釩，可以將材料的相變閾值降低到25℃，這是實際應用的理想溫度。
圖片來源：Thor Swift/伯克利實驗室
研究人員設計了一個2厘米乘2厘米的TARC薄膜裝置，它由三層構成：由銀制成的反射底層，由氟化鋇組成的透明中間層，以及包含有序塊狀二氧化釩“島”的頂層，以了解二氧化釩在屋面系統中的表現。
“TARC看起來像透明膠帶，可以貼在像屋頂一樣的固體表面上?！眳强蛘f。
為了驗證TARC薄膜中的全天候多功能性，研究團隊進行了戶外屋頂實驗，以檢測該技術在現實環境中的可行性，并將其性能與商用深色屋頂涂料和商用白色屋頂涂料進行了比較。
在東灣山進行屋頂實驗的裝置。 實驗數據用于模擬TARC在代表美國大陸15個不同氣候區的城市中全年的表現。
研究團隊通過無線測量設備記錄了TARC 樣本、商業黑暗屋頂樣本和商業白色屋頂樣本對陽光直射和室外溫度變化的響應。結果表明，當環境溫度低于TMIT時，TARC比兩個參考屋頂涂料高2°C 。盡管白色屋頂涂層在夏季白天和太陽輻射下的熱管理優于TARC，但TARC 調節屋頂溫度更接近加熱和冷卻設定點（22 和 24°C），且適用于其他季節的白天和所有夜間等條件。因此，與普通屋頂涂料相比，TARC在全年節能方面具有優越性。
隨后，研究人員使用室外實驗的數據來模擬 TARC 在代表美國大陸15個不同氣候區的城市中全年的表現，以預測 TARC通過減少夏季冷卻能源和冬季加熱能源的需求而提供的年度節能效果。
根據模擬實驗，TARC在美國15個氣候區中的12個氣候區的節能效果均優于現有屋頂涂料，特別是在晝夜溫差較大的地區，如舊金山灣區。“安裝 TARC 后，美國普通家庭一年可節省大約10%的電力，”論文的第一作者Tang Kechao說道。
未來研究人員計劃更大規模地開發TARC原型，以進一步測試其作為實用屋頂涂料的性能。同時，TARC還可能作為一種熱保護涂層，以延長智能手機和筆記本電腦的電池壽命，并保護衛星和汽車免受極高或極低的溫度影響。此外，它還可用于制作帳篷、溫室覆蓋物甚至帽子和夾克的溫度調節織物，在我們的日常生活中發揮重要的作用。
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