科学家展示新的固态制冷剂材料 有望实现更环保的冷却

科学家展示新的固态制冷剂材料有望实现更环保的冷却尽管冰箱和空调很有用，但它们用作制冷剂的气体会泄漏到大气中，成为气候变化的主要因素。现在，哈佛大学的工程师们展示了一种新的冷却设备原型，它使用一种固态材料作为制冷剂。像冰箱和空调这样的设备从材料的相变循环中获得其冷却能力。在气态形式下，制冷剂通常是一种氢氟碳化物（HFC），将从其周围吸收热量，从而冷却一个房间或冰箱内部。然后，这种气体进入压缩机，将其压缩，变成液体，并释放出储存的热量，排放到外面。随着压力的降低，液体被允许膨胀成气体，再次开始循环。这就是所谓的压卡效应。这是一个有效的过程，几十年来一直为我们服务，但是这些氢氟碳化物在使用过程中，如果被损坏，以及在被移动或处理时，会从设备中泄漏出来。一旦进入大气层，它们是比二氧化碳更有力的气候变化驱动因素，因此找到减少这些排放的方法是环境行动计划的一个关键部分。仍然可以进行压卡效应的固体制冷剂可以帮助解决这个问题。这项新研究从一个被称为金属卤化物钙钛矿的类别中发现了一种有希望的材料，这种材料作为新一代的太阳能电池材料已经很出色。在这种情况下，这种材料可用于冷却，其方式与那些在液态和气态之间切换的材料基本相同，只是它在这两个形态下都是固体。这些固体制冷剂材料的秘密在于其原子结构。通常情况下，它们是由长长的柔性分子链组成的，是无序的，有点软绵绵的，但在压力下，它们会变硬，变成更有序的状态，在这个过程中释放热量。释放压力，它们可以再次从周围环境中吸收热量。虽然这两种形态都是固体，但该团队将这种过渡比作部分融化的蜡。该团队用一个原型设备展示了这个想法。固体制冷剂与水或油等惰性液体一起被装入一个金属管。一个液压活塞对液体施加压力，这反过来又将其传递给制冷剂。液体也有助于将热量从系统中转移出去。该系统显示了前景，但该团队表示仍有一些问题需要解决。首先，所涉及的压力在液压系统中是可能的，但对于消费者设备来说有点太高了--大约2900psi，而传统空调的最高压力是150psi。其他特定的材料也可能更好地传导热量。其他科学家已经研究了使用塑料晶体或形状记忆合金作为潜在的固态制冷剂。随着更多的工作，这类新材料可以帮助使冷却设备更加环保。这项新的研究在美国化学学会秋季会议上发表，该团队的介绍可以在下面的视频中看到。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1307711.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1307711.htm

由变色龙启发的建筑材料可改变其吸收或散发的热量

由变色龙启发的建筑材料可改变其吸收或散发的热量在炎热的日子里，这种材料可以发射出它所包含的高达92%的红外热量，帮助冷却建筑物内部。然而，在较冷的日子里，这种材料只发出7%的红外线，帮助建筑物保持温暖。"我们基本上想出了一种低能耗的方法来对待建筑物，就像对待一个人一样；当你冷的时候，你就加一层，当你热的时候，你就脱一层，"领导这项研究的许宝春助理教授说，他发表在《自然可持续性》上。"这种智能材料让我们在没有大量能源的情况下保持建筑物的温度"。受气候变化的驱动根据一些估计，建筑物占全球能源消耗的30%，并排放了全球所有温室气体的10%。这一能源足迹的大约一半归因于室内空间的加热和冷却。"长期以来，我们大多数人都认为室内温度控制是理所当然的，没有想过它需要多少能源，"许说。"如果我们想要一个负碳的未来，我认为我们必须考虑多样化的方式，以更节能的方式控制建筑温度。"研究人员先前已经开发了辐射冷却材料，通过提高其发射红外线的能力来帮助保持建筑物的温度，红外线是人和物体辐射出来的无形热量。也有一些材料可以在寒冷的气候中防止红外线的发射。这种材料包含一个可以采取两种构象的层：保留大部分红外线热量的固体铜，这有助于保持建筑物的温暖；或者是发射红外线的水溶液，这可以帮助冷却建筑物"一个简单的思考方式是，如果你有一个完全黑色的建筑面向太阳，它将比其他建筑更容易升温，"PME研究生隋晨曦说，他是新手稿的第一作者。这种被动加热在冬天可能是一件好事，但在夏天就不是了。随着全球变暖导致极端天气事件和多变的天气越来越频繁，建筑物需要能够适应；很少有气候需要全年供暖或全年空调。从金属到液体再到液体许和他的同事设计了一种不可燃的"电致变色"建筑材料，它包含一个可以呈现两种构象的层：保留大部分红外线热量的固体铜，或发射红外线的水溶液。在任何选定的触发温度下，该设备可以通过将铜沉积到薄膜中，或将铜剥离，使用极少量的电力来诱导两种状态之间的化学变化。在这篇新论文中，研究人员详细说明了该装置如何在金属和液体状态之间快速和可逆地切换，即使经过1800次循环，在两种构象之间切换的能力仍然有效，因此这种智能材料可以在不需要大量能源的情况下保持建筑物的温度。该团队创建了模型，说明他们的材料如何能在美国15个不同城市的典型建筑中减少能源成本。他们报告说，在一个普通的商业建筑中，用于诱导材料电致变色的电力将不到该建筑总用电量的0.2%，但可以节省该建筑每年HVAC能耗的8.4%。"一旦你在不同的状态之间切换，你不需要应用更多的能量来保持任何一种状态，"许说。"因此，对于你不需要在这些状态之间频繁切换的建筑，它的用电量真的可以忽略不计。"扩大规模到目前为止，许的小组只创造了大约六厘米宽的材料碎片。然而，他们设想，许多这样的材料碎片可以像瓦片一样被组装成更大的板材。他们说，这种材料也可以进行调整，以使用不同的定制颜色--水相是透明的，几乎任何颜色都可以放在它后面而不影响其吸收红外线的能力。研究人员现在正在研究制造这种材料的不同方法。他们还计划探究该材料的中间状态如何能够发挥作用。"我们证明了辐射控制可以在整个不同季节控制广泛的建筑温度方面发挥作用，我们正在继续与工程师和建筑部门合作，研究这如何能够为一个更可持续的未来做出贡献"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343391.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343391.htm

辐射冷却：气候控制的开创性方法

辐射冷却：气候控制的开创性方法辐射冷却装置通过辐射热量提供无电冷却，这些热量不会被大气层吸收，而是会从地球大气层逃逸到外层空间。图片来源：©2023KAUST;XavierPita辐射冷却的工作原理辐射冷却设备通过在被称为大气透明窗口的狭窄波长范围内辐射热量来提供无电冷却。在这个窗口内，热量不会被大气层重新吸收，而是逃逸到绝对零度以上三度的太空中，太空就像一个巨大的散热片，随时吸收散发的热量。Gan说："这项技术对于满足沙特阿拉伯当地的冷却需求特别有吸引力。许多材料在夜间会出现辐射冷却。关键的挑战在于如何在阳光直射的情况下实现冷却，使温度低于环境温度。我们必须同时最大限度地减少太阳吸收的热效应，同时最大限度地增加大气窗口的热辐射。"尽管存在挑战，但由于这种可持续冷却技术具有抵御全球变暖影响的潜力，人们对它的兴趣正在迅速增长。研究挑战与标准化然而，Gan指出，在测试和报告新型辐射冷却材料时存在许多潜在的隐患。由于辐射冷却利用天空作为散热器，因此大多数实验都是在当地室外环境中进行的。由于天气条件不可控以及测量设置的变化，要比较和理解不同技术的实际冷却性能，从而在所研究的各种辐射冷却设计中找出最佳策略，就变得非常具有挑战性。在与《自然-可持续发展》杂志的一位资深编辑讨论了这些问题后，他受邀撰写了一篇文章，提出了评估辐射冷却性能的标准化标准和表征程序。团队制定了明确的辐射冷却材料表征建议和冷却计算程序，以提高辐射冷却研究的可靠性和可比性。辐射冷却的未来Gan说："我们希望这一框架将有助于推动可持续和高效冷却解决方案的发展。他补充说，考虑到2022年经历的极端热浪以及2023年上半年在许多大城市观测到的破纪录高温，对无电力冷却解决方案的需求比以往任何时候都更加迫切。通过利用具有零碳排放甚至负碳排放潜力的辐射冷却技术，我们可以有效应对这一全球性挑战，并支持沙特的2030愿景国家战略计划。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381835.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381835.htm

用柠檬和椰子制成的建筑材料可以帮助家庭取暖

用柠檬和椰子制成的建筑材料可以帮助家庭取暖这种新的复合材料是瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院生物复合材料系的一个研究小组的工作，它利用了三种可再生材料来源：椰子、柠檬和木材。研究人员首先通过去除木质素在木材中创造了一个开放的孔隙结构，这也剥去了其颜色。然后用丙烯酸柠檬烯（可从果汁行业的果皮废料中获取）和一种基于椰子的分子来填充这些空隙。当复合材料加热时，例如由于暴露在阳光下或环境温度升高，丙烯酸亚麻油酯变成了聚合物，将椰子分子困在其中。发生转变的温度可以根据要求定制，但在这个项目中被设定为舒适的24℃（75°F）。当材料冷却时，这个过程会发生逆转。KTH研究员CélineMontanari说："其优雅之处在于，椰子分子可以从吸收能量的固体过渡到液体；或者从释放能量的液体过渡到固体，这与水的冻结和融化方式基本相同。"团队成员PeterOlsén补充说："通过这种转变，我们可以加热或冷却我们的周围环境，无论需要什么。"尽管尚未准备好用于建筑，但"木质复合热能电池"最初可能的应用是作为室内隔断墙，或者，由于该材料有一定程度的透明度，可以作为某种屏幕材料使用。然而，该团队表示，在它准备作为外部建筑材料使用之前，还需要更多的工作。据估计，在建筑施工中每使用100公斤（220磅）的材料，每天可节省约2.5千瓦时--假设环境温度为24℃--尽管它也可能在花园中找到用途。Olsén问道："为什么不将它作为温室的未来材料呢？当阳光照射时，木材变得透明，储存更多的能量，而在晚上，它变得多云，释放白天储存的热量。这将有助于减少加热的能源消耗，同时提供更好的生长。"这项研究发表在《小》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352261.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352261.htm

揭开层状材料中水-离子相互作用的秘密

揭开层状材料中水-离子相互作用的秘密封闭的纳米空间的图像，其中水分子围绕着离子的结构。资料来源：艺术行动公司，福井高哉这些发现最近发表在《自然通讯》杂志上。许多材料在微观或纳米尺度上采取分层形式。例如，当干燥时，粘土类似于一系列相互堆叠的薄片。然而，当这种分层材料遇到水时，水可以被限制并融入层与层之间的缝隙或孔中，或者更准确地说，是"孔"。当水分子或其组成元素，特别是氢氧根离子（一种由单个氧原子和单个氢原子组成的带负电荷的离子）被整合到材料的结晶结构中时，也会发生这种"水化"。这种类型的材料，即"水合物"，不一定是"湿"的，即使水现在是它的一部分。水合作用也可以大大改变原始材料的结构和特性。在这种"纳米细化"中，水化结构--水分子或其组成元素的排列方式--决定了原始材料储存离子（带正电或负电的原子或原子组）的能力。这种水或电荷的储存意味着这种层状材料，从传统的粘土到层状金属氧化物，以及关键的是它们与水的相互作用，具有广泛的应用，从水净化到能源储存。然而，研究这种水合结构和这种层状材料的离子储存机制中的离子配置之间的相互作用已被证明是一个巨大的挑战。而分析这些水合结构在这些离子的任何运动过程中如何变化（'离子传输'）的努力则更加困难。(a)具有不同宿主电荷密度的层状材料中的层间结构示意图。在层间空间中，水分子被纳入未被电荷补偿离子填充的宿主电荷的孔隙中。(b)具有能量耗散监测功能的石英晶体微天平（QCM-D）在具有不同宿主电荷密度的LDH中的离子交换反应曲线，显示了频率（Δf）和耗散（ΔD）的变化。资料来源：修改自TomohitoSudare等人，NatCommun（2022）13,6448。最近的研究表明，这种水的结构和与层状材料的相互作用在赋予后者高的离子存储能力方面起着重要作用，所有这些反过来又取决于承载水的层的灵活性如何。在层与层之间的空间里，任何没有被离子填充的孔隙都会被水分子填充，从而帮助稳定层状结构。该研究的通讯作者、信州大学超材料研究计划的材料化学家KatsuyaTeshima说："换句话说，水结构对层间离子的结构很敏感。而在许多不同的晶体结构中，这种离子配置控制着可以储存多少离子，但直到现在这种配置还很少被系统地研究。"因此，手岛的研究小组寻求"具有能量耗散监测功能的石英晶体微天平"（QCM-D）来帮助他们进行理论计算。QCM-D本质上是一种像天平秤一样工作的仪器，可以在纳米水平上测量极其微小的质量和分子相互作用。该技术还可以测量能量损失的微小变化。研究人员利用QCM-D首次证明了可以通过实验观察到限制在层状材料纳米空间内的水分子结构的变化。他们通过测量材料的"硬度"来做到这一点。他们调查了一类带负电的粘土的层状双氢氧化物（LDH）。他们发现，当任何离子交换反应发生时，水合结构与LDHs的硬化有关（一种离子与另一种离子的交换，但有相同的变化）。"换句话说，离子相互作用的任何变化都起源于离子融入纳米空间时发生的水化结构的变化，"该研究的合作者、现在东京大学的苏达雷（TomohitoSudare）补充说。此外，研究人员发现，水合结构高度依赖于层状材料的电荷密度（每单位体积的电荷量）。这反过来又在很大程度上制约着离子存储能力。研究人员现在希望将这些测量方法与离子的水合结构知识结合起来，设计出新的技术来提高层状材料的离子存储能力，从而有可能为离子分离和可持续能源存储开辟新的途径。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348163.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348163.htm

新一代空调：新型电致冷材料可替代对环境有害的传统制冷剂

新一代空调：新型电致冷材料可替代对环境有害的传统制冷剂最近发表在《科学》杂志上的一项研究描述了一种新型"电致冷"材料，这是一种空调技术，旨在不使用危险或可能造成污染的气体就能完成制冷（或供暖）任务。位于贝尔沃的卢森堡科技学院的科学家们通过结合多种现有技术，开发出了一种基于陶瓷的新型原型，具有很强的电致冷效应。当暴露在电场中时，电致发热系统会升温，因为材料中电性不平衡的原子会像梳子一样被迫朝一个方向排列。熵值降低，排列整齐的原子开始加速振动，从而使温度升高。新的原型利用流体在类陶瓷材料板块之间流动来带走多余的热量。如果关闭电场，效果就会逆转，材料会变得比环境温度更冷，并从流体中带走热量。然后，循环再次开始。剑桥大学的材料科学家尼尔-马瑟尔（NeilMathur）说，电致冷原型已显示出"超强的性能"。在冰箱或空调中使用这种新材料时，可以将热量散发到建筑物外部，同时保持内部环境的低温。反之，热泵则可以通过抽取外部环境的热量并将其引入室内来冷却外部环境。现有的空调系统效率很高，但需要使用氢氟碳化合物或氨等制冷剂，而这些制冷剂会直接或间接地产生温室效应。电解原型不需要使用危险气体，而且由于不需要压缩机，它还可以制造得更小、更简单。尽管该技术原型显示出了一些非凡的能力，但还不具备商业化的条件。卢森堡的科学家需要进一步完善技术，提高新材料的效率。让电热泵与现有空调系统中使用的电热泵竞争，是他们目前的首要任务。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399077.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399077.htm