科羅拉多大學博爾德分校的物理學家開發了一種新型窗戶隔熱材料，可以極大地改善世界各地建築物處理熱量的方式。他們的創作工作原理類似於高科技形式的氣泡包裝紙，但其設計目的是提高能源效率而不是包裝。
這種材料被稱為介孔光學透明隔熱體或 MOCHI。它可以製造為厚塊或薄柔性片材，附著在標準窗戶的內表面上。目前，MOCHI僅在實驗室生產，尚未提供給消費者，但研究人員表示，它耐用且幾乎完全隱形。
由於其清晰度，MOCHI 可以保持視野暢通無阻，這使其與許多其他窗戶隔熱產品不同。
該研究的主要作者、科羅拉多大學博爾德分校的物理學教授 Ivan Smalyukh 說：“為了阻止熱交換，你可以在牆壁上放置大量隔熱材料，但窗戶必須是透明的。” “找到透明的絕緣體非常困難。”
研究小組於 12 月 11 日在期刊上發表了研究結果 科學。
為什麼窗戶的熱量損失很重要？
從住宅到大型辦公樓的各種建築消耗的能源約佔世界能源消耗的 40%。當熱量在冬天逸出室外或在炎熱天氣進入建築物時，大部分能量都被浪費了。
Smalyukh 和他的合作者希望 MOCHI 能夠減緩這種不需要的熱流。
新材料是一種內部結構複雜的矽凝膠。它含有被困在比人的頭髮細得多的非常細的毛孔中的空氣。這些微小的口袋使 MOCHI 成為出色的隔熱層。事實上，5毫米厚的薄片就足以讓人安全地握住火焰。
科羅拉多大學博爾德分校可再生和可持續能源研究所 (RASEI) 的研究員 Smalyukh 表示：“無論室外溫度如何，我們都希望人們擁有舒適的溫度，而不必浪費能源。”
MOCHI 如何控制光和熱
Smalyukh 將 MOCHI 性能的關鍵描述為其精確的氣穴。
這種新材料與氣凝膠有相似之處，氣凝膠是許多行業中常用的絕緣體。 （美國宇航局使用氣凝膠為火星探測器內的電子設備保溫）。氣凝膠也是基於充滿空氣的孔隙，但這些孔隙通常以隨機圖案排列，會散射光。這就是為什麼氣凝膠經常顯得渾濁，有時被稱為“冷凍煙霧”。
科羅拉多大學博爾德分校團隊想要一種既能保持輕質又能提供高耐熱性的絕緣材料。
為了構建 MOCHI，研究人員將表面活性劑分子與液體混合物結合在一起。這些分子自然地組裝成線狀形狀，就像油和醋在沙拉醬中形成層時發生的分離一樣。同一混合物中的有機矽分子與這些細絲的表面結合。
通過幾個受控步驟，研究人員去除了洗滌劑簇並用空氣代替。這會在超小型充氣通道網絡周圍留下矽膠框架。 Smalyukh 將這種複雜的模式比作“水管工的噩夢”。
空氣佔 MOCHI 體積的 90% 以上。
在分子尺度上阻止熱量
熱量在氣體中傳播，就像台球式的鍊式反應一樣。能量使氣體分子和原子移動得更快並相互碰撞，在碰撞時傳遞熱量。
MOCHI 內部的孔隙非常小，氣體分子無法自由碰撞。相反，它們會反复撞擊矽膠壁，從而防止熱量輕易地通過材料傳播。
“分子沒有機會自由地相互碰撞並交換能量，”斯馬柳克說。 “相反，它們遇到了孔隙壁。”
儘管具有很高的隔熱能力，MOCHI 仍能反射約 2% 的入射光，幾乎允許所有可見光通過。
潛在用途和未來發展
研究人員設想了一種能夠有效捕獲熱量的輕質材料的許多應用。一種選擇是一種能夠捕獲陽光熱量並將其轉化為低成本、可持續能源的設備。
“即使在陰天，你也可以利用大量能源，然後用它來加熱水和建築物內部，”斯馬柳克說。
截至目前，MOCHI 尚未準備好商業化。儘管 Smalyukh 相信可以開發出更高效的製造方法，但其實驗室生產非常耗時。用於製造 MOCHI 的組件相對便宜，這支持了擴大該技術規模的長期潛力。
目前，MOCHI 的前景仍然樂觀，就像用這種材料覆蓋的窗戶的清晰視野一樣。
該研究的共同作者包括 Amit Bhardwaj、Blaise Fleury、Eldo Abraham 和 Taewoo Lee，他們都是科羅拉多大學博爾德分校物理系的博士後研究人員。前科羅拉多大學博爾德分校博士後研究員 Bohdan Senyuk、Jan Bart ten Hove 和 Vladyslav Cherpak 也作為作者做出了貢獻。
