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新材料的神奇潜力
看相变材料在建筑物节能方面的神奇潜力

     随着太阳缓缓升起,令人惊诧的一幕上演了:在美国西雅图华盛顿大学的校园内,一栋沐浴在晨光下的新建大楼逐渐开始融化。不过这可不是什么设计上的缺陷,而是一种特殊的材料——相变材料(PCM)玩的变身小把戏。其目的很简单,就是要帮助建筑物节能。
    据英国《新科学家》网络版1月5日报道,这栋建筑的墙壁和天花板采用了一种特制的凝胶材料,当夜幕降临时,凝胶变成固体;而当白天到来,温度升高,凝胶便会融化。这种材料在固态和液态之间的转变就是所谓的相变。凝胶的这一特性可以帮助减少楼内办公室降温所需的能源消耗。这栋在建大楼是华盛顿大学分子工程系的办公用楼,预计到本月底,98%的工程就可完工。投入使用后,师生们就能体验一把高科技的妙处。
    当然,并不是所有的相变材料都需要这么高科技。我们在日常生活中接触最为频繁的冰也是相变材料的一种,冷冻和冷藏食物都离不开它。随着材料科学的飞速进步以及能源成本的大幅提升,科学家也在加紧研发可在不同温度下工作的相变材料,用于制冷、保温和储能领域。
    相变材料之所以在节能领域别具吸引力,就在于它可通过吸收或释放大量能源来保持近乎恒温:当材料融化时,需要吸收能量来打破其原子间的分子键;而当材料固化时,分子键的形成又可以释放能量。
    华盛顿大学的这栋建筑所使用的凝胶是一种从植物油中提取的生物相变材料。每天晚上窗户自动打开,室外的寒冷空气涌入,凝胶就会变成固体,待到第二天融化时又能从周围环境吸收热量。这个原理与使用厚的混凝土或土坯墙来降低建筑物的室内温度波动类似,但凝胶的用量却相对要少得多。
    制造这种凝胶的相变能源解决方案公司创办人彼得·霍瓦特说:“我们的生物相变材料厚度只有1.25厘米,但作为一种热质来说,却能与厚度达25厘米的混凝土媲美。”
    市场调研机构勒克斯研究公司最近发布的一项报告预测,到2020年,相变材料在建筑行业的使用将从目前的年销售额近乎于零增长到1.3亿美元。
    与此同时,很多其他的相变材料应用也不断涌现。总部设在英国的星制冷公司使用二氧化碳来为数据中心降温,二氧化碳在低温下可从液态变为气态。面对如今的高性能服务器群散发出的热量,即使是最先进的水冷却系统也“束手无策”。但该公司最近通过管道让二氧化碳流经热交换器,展示的散热性能可达到目前计算机系统散热性能的近两倍。
    高山牧民则利用从酥油和当地植物油脂中提炼所得的相变材料来帮助御寒,他们所穿戴的传统服装就将这种材料外层装裹上塑料然后织制而成的。牧民汗流浃背地徒步前往高山草场的路途中,身上所穿的服装材料会逐渐融化,当他们停下步伐看守牧群时,热量便会缓慢释放出来,帮助身体保暖。目前有100多个家庭正在参与一个试验项目,除了服装外,他们还试用由相变材料制成的铺盖卷。研发这种化合材料的“一个地球设计”公司的斯科特·弗兰克说:“那些使用它们的家庭已经发现,他们的燃料消耗量发生了显著的变化。”
    相变材料的另一个广阔应用前景是用于发展中国家的疫苗运输。由于疫苗在运输过程中需要保持冷却,这对制冷技术有限的国家而言是一个挑战,它们通常用冰块来包装,但疫苗一旦冻结,其有效性会严重受损。美国包装制造商索诺科公司说,它已经找到了解决方案,使用一种可在4摄氏度到8摄氏度之间发生相变的材料,能够让疫苗的冷藏期保持6天。索诺科公司正在测试这种包装盒,以争取达到世界卫生组织的标准。
    而在储能领域,相变材料的应用也可以助力太阳能发电。目前的太阳能集热系统依赖于液态盐来储存热量,虽然发电厂可以在阳光不太充裕的时候照样开工,但却需要大量液态盐和庞大的绝缘储存设施。德国碳纤维供应商西格里公司表示,通过使用相变化合物,可将储存材料所需的用量减少大约三分之二。该公司目前正在对一种原型材料展开测试。
 
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