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  我们都知道,出汗是人体自我调节体温的一种方式,汗液通过毛孔排出到皮肤表面,蒸发后会带走一部分热能,人也就凉快了一些。近日,瑞士的研究者利用一种新型水凝胶,发明出一种同样能“出汗”的屋顶。通过它来给房屋降温的话,房屋的耗能最多可以减少60%。

  瑞士联邦理工学院的温德林·斯达克(Wendelin Stark)的团队,一直对人体温度自我调节机制很感兴趣。“如果能让房屋也具有这种功能,就能大大减少能量的消耗。”斯达克回忆他们最初的设想,“水当然是最好的工具,因为它每蒸发一公斤,就能带走2兆焦耳的热量。”通过计算,他们发现只要5毫米厚的水层,就可以让曝露在下午阳光下的屋顶保持凉爽。“但是,怎么让它储存在屋顶上,到有需要的时候再蒸发呢?这是问题的关键。”

  他们首先想到的是常见的医疗用pHEMA水凝胶。水凝胶是一种半固态的人造胶状物质,由亲水性聚合物高分子链构成,能吸收大量水分。我们熟悉的果冻、隐形眼镜、还有宝宝退热贴等,都属于水凝胶制品。

  斯达克和同事将一层pHEMA水凝胶涂到了房屋模型的屋顶,并模仿热带国家的气候,给它进行人工降雨和日晒,但结果令人失望。“最表面的凝胶层很快就干了,里面的水蒸发得非常慢,根本起不到降温效果。”

  要让屋顶真正“出汗”,就必须找到一种物质,让它在热的时候能自动将水分逼出来。斯达克想到了一种叫温敏性水凝胶 (PNIPAM)的新型聚合物。一旦周围温度达到了32摄氏度,它就会自动将吸收的水分释放出来。但这种物质通常是溶于水的,没法直接使用在屋顶上。

  “我们试着在水凝胶的高分子链之间增加交联剂(一种在线型分子间起架桥作用的物质,能使多个线型分子相互键合交联成网络结构),用来降低它的溶解度,但这又影响了它的温度敏感性。”

  调整过不同成分比例,他们发现,当水凝胶含有5%的交联剂时,既可以达到足够的坚固性,温度转换性能也还是很出色。最后,斯达克的团队设计出了一种三明治式的屋顶覆盖层:表面是薄薄的聚碳酸酯膜(Polycarbonate membrane),中间夹着一层水凝胶,底下再铺一层聚氯乙烯薄层。

  在灿烂的阳光下,新型温敏性水凝胶中储存的水分会不断蒸发,让屋顶温度一直维持在35摄氏度。一旦水分全部蒸发完,屋顶温度立刻升到了60摄氏度。而采用医用pHEMA水凝胶的话,屋顶湿度会迅速达到45摄氏度,然后再慢慢升至60摄氏度,效果显然不如前者。

  于是,兴奋的实验者们开始测试它应用在屋顶时,房屋的能耗和温室气体排放量:在两所一样的房子中,在阳光的照射下,如果都用空调维持在20摄氏度(电力由火电厂提供),那么普通屋顶的房子一年排放的二氧化碳是220千克,而水凝胶屋顶的房屋一年仅仅排放了80千克!

  目前,斯达克已经拥有了这种技术的专利,但他并不打算将其商业化。也许有一天,他们会让热带国家的人民免费尝试这种新产品。