有望替代玻璃的聚合物超构材料：透光、降温、私密还能自清洁

据麦姆斯咨询报道，卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究人员在Nature Communications期刊上介绍了一种具有独特性能的聚合物超构材料（metamaterial）。这种材料能透射阳光，无需额外能源就能保持更舒适的室内环境，还能像荷叶一样进行自我清洁。这项新研究成果未来有望取代建筑外墙和屋顶的玻璃部件。并且，该研究小组已在KIT校园的室外环境成功测试了这种材料。

在建筑物中最大限度地利用自然光很受欢迎，能够有效节约能源成本。然而，传统的玻璃屋顶和玻璃幕墙也存在眩光、缺乏私密性和过热等问题。而涂层和光扩散材料等替代解决方案，尚无法提供全面的补救措施。

兼具多种功能的新型材料

KIT微结构技术研究所（IMT）和光技术研究所（LTI）的研究人员开发的新型聚合物超构材料，集各种特性于一身，未来有望取代建筑中的玻璃部件。

微型金字塔的尺寸约为10微米

这种基于聚合物的微光子多功能超构材料（PMMM）由硅树脂制成的微型金字塔结构组成。这些微型金字塔的尺寸约为10微米，约为头发丝直径的十分之一。这种设计赋予PMMM薄膜多种功能：光扩散、自清洁和辐射冷却，同时保持了高透明度。

“其主要特点是能够通过地球大气层的长波红外传输窗口有效地辐射热量。”IMT和LTI教授Bryce S. Richards解释说：“这样就可以在不耗电的情况下实现被动辐射冷却。”

PMMM制备工艺

降温、透光、无眩光

在实验室和真实户外条件下的露天实验中，研究人员测试了这种材料的特性，并利用现代分光光度法测量了它的透光率、光散射、反射特性、自清洁能力和冷却性能。

与周围环境温度相比，测试结果显示，新型聚合物超构材料实现了6℃的降温效果。此外，这种材料的光谱透射率或透明度高达95%。相比之下，玻璃的透明度通常为91%。与此同时，微金字塔结构散射了73%的入射阳光，从而实现了雾化的防窥外观。

“当这种材料用于屋顶和外墙时，它可以为工作和生活提供明亮、无眩光且私密的室内空间。在温室中，高透光率可以提高产量，因为其光合作用效率要比玻璃屋顶的温室高出9%。”IMT小组负责人Gan Huang介绍说。

微型金字塔结构还赋予了PMMM薄膜超疏水特性，类似于荷叶，水易凝结成水滴，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。

建筑和城市发展潜力

Richards解释说：“我们新开发的材料在很多领域都有应用潜力，有望为可持续发展和节能建筑做出重大贡献。”

“这种材料可以同时优化室内阳光的利用，提供被动冷却，减少对空调的依赖。该解决方案具有可扩展性，能够无缝整合到环保建筑和城市发展计划中。”Huang说。

论文链接：DOI: 10.1038/s41467-024-48150-2

 

审核编辑：刘清