日前，科学家们已经开发出一种四季皆宜的智能屋顶涂料，可以在不消耗天然气或电力的情况下，让家里的温度冬暖夏凉。当地时间16日发表在《Science》杂志上的研究结果指出，新全季屋顶涂料会根据室外空气温度自动从制冷切换到保暖。这种温度自适应辐射涂层（TARC）是第一种通过调节辐射冷却速率自动在炎热天气降温和寒冷天气升温的屋顶涂料，实现这一特性得益于其主要材料——二氧化钒。
领导这项研究的美国加州大学伯克利分校材料科学部门的教职科学家吴俊桥解释说，许多冷屋面系统的问题在于它们在冬天继续向外辐射热量，从而提高了屋内供暖成本。TARC则可以通过在冬天自动关闭辐射热量来实现节能，克服了冬天过冷的问题。
早在几年前，吴俊桥就开始思考，是否有一种材料可以在炎热天气的辐射冷却和寒冷天气的保温之间自动切换。在团队前期的研究基础上，吴教授推测钨掺杂的二氧化钒或许就是他们想找的理想材料。2017年，吴俊桥和他的研究团队发现，二氧化钒中的电子对电的行为就像金属，对热的行为像绝缘体，换句话说，它们导电良好，但不导热。低于67℃的二氧化钒对热红外光也是透明的，因此不吸收热红外光。但一旦二氧化钒达到67℃，它就会转变为金属状态，开始吸收热红外光。在这种情况下，从绝缘体切换到金属正是我们所熟知的相变材料的特征。研究还表明，只用钨取代二氧化钒中仅1.5%的钒，可以将材料的相变阈值降低到25℃，这是实际应用的理想温度。
图片来源：Thor Swift/伯克利实验室
研究人员设计了一个2厘米乘2厘米的TARC薄膜装置，它由三层构成：由银制成的反射底层，由氟化钡组成的透明中间层，以及包含有序块状二氧化钒“岛”的顶层，以了解二氧化钒在屋面系统中的表现。
“TARC看起来像透明胶带，可以贴在像屋顶一样的固体表面上。”吴俊桥说。
为了验证TARC薄膜中的全天候多功能性，研究团队进行了户外屋顶实验，以检测该技术在现实环境中的可行性，并将其性能与商用深色屋顶涂料和商用白色屋顶涂料进行了比较。
在东湾山进行屋顶实验的装置。 实验数据用于模拟TARC在代表美国大陆15个不同气候区的城市中全年的表现。
研究团队通过无线测量设备记录了TARC 样本、商业黑暗屋顶样本和商业白色屋顶样本对阳光直射和室外温度变化的响应。结果表明，当环境温度低于TMIT时，TARC比两个参考屋顶涂料高2°C 。尽管白色屋顶涂层在夏季白天和太阳辐射下的热管理优于TARC，但TARC 调节屋顶温度更接近加热和冷却设定点（22 和 24°C），且适用于其他季节的白天和所有夜间等条件。因此，与普通屋顶涂料相比，TARC在全年节能方面具有优越性。
随后，研究人员使用室外实验的数据来模拟 TARC 在代表美国大陆15个不同气候区的城市中全年的表现，以预测 TARC通过减少夏季冷却能源和冬季加热能源的需求而提供的年度节能效果。
根据模拟实验，TARC在美国15个气候区中的12个气候区的节能效果均优于现有屋顶涂料，特别是在昼夜温差较大的地区，如旧金山湾区。“安装 TARC 后，美国普通家庭一年可节省大约10%的电力，”论文的第一作者Tang Kechao说道。
未来研究人员计划更大规模地开发TARC原型，以进一步测试其作为实用屋顶涂料的性能。同时，TARC还可能作为一种热保护涂层，以延长智能手机和笔记本电脑的电池寿命，并保护卫星和汽车免受极高或极低的温度影响。此外，它还可用于制作帐篷、温室覆盖物甚至帽子和夹克的温度调节织物，在我们的日常生活中发挥重要的作用。
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