科罗拉多大学Science，99%透光+超低导热透明隔热材料
来源 | Science
链接 | https://doi.org/10.1126/science.adx5568
01
背景介绍
02
成果掠影
美国科罗拉多大学Ivan I. Smalyukh教授团队开发了一种介孔光学透明隔热材料（MOCHI），通过表面活性剂胶束模板诱导聚硅氧烷纳米管形成三维介孔网络，经超临界干燥制备而成；其核心优势为>99% 的可见光透过率、10-12 mW/Km的极低热导率（低于静止空气的 27 mW/Km），且可规模化生产出平方米级薄膜和厘米级厚板（最大厚度 37.5 mm）；该材料兼具超疏水、阻燃、力学稳健等特性，可应用于建筑门窗隔热（热阻 R 最高达 3.65 m²・K/W）、太阳能热利用（非聚光条件下 stagnation 温度达≈300℃）等场景，能显著降低建筑能耗并实现能量回收，为可持续建筑围护结构提供了新型解决方案。研究成果“Mesoporous optically clear heat insulators for sustainable building envelopes”为题发表在《Science》。
03
图文导读
图1.大规模MOCHI超材料及其纳米级形态。（A）光学照片，显示了在塑料薄膜顶部具有3 mm厚MOCHI的平方米改型的高透明度。（B）玻璃板顶部5 cm厚高透明MOCHI板的角透视图。（插图）MOCHI顶部的水滴，具有大的接触角，突出了超疏水性（24）。（C）MOCHI的TEM图像，揭示了图形状网络。（D）纳米管图形网络的相应示意图。(E)MOCHI纳米级形态的TEM断层扫描重建，证明了中空聚硅氧烷管在图形状网络内的取向有序排列。（F和G）从相互正交的角度观察的两个单独纳米管的放大断层扫描重建。（H）由表面活性剂分子的圆柱形胶束模板化的边缘取向聚硅氧烷管的TEM图像，如（I）示意图所示。（J）纳米管壁内的聚硅氧烷网络。
图2. MOCHI的光学特性。（A）1 mm厚MOCHI的总透射率和漫透射率与波长的关系，显示出99.7%的高平均透明度，雾度<1%。（插图）这些相关性的细节。（B）与玻璃对应物相比，单堆叠和双堆叠MOCHI膜的薄MOCHI膜的透射率的角度相关性，表明即使在高入射角下也>90%的透射率。（插图）激光通过类似单晶体的单片MOCHI的传播，具有由其双折射性质引起的周期性散射光调制。MOCHI的折射率和双折射率与孔隙率的关系。圆形和菱形符号表示实验数据;橙子线是基于线性拟合，拟合了折射率依赖性（蓝线）与Arago-Biot关系平均聚硅氧烷的折射率（1.457）空气（1.0003），通过它们的体积分数（24）加权。（插图）穿过超材料的调制散射激光的放大视图，（D）MOCHI的平均有效折射率在可见光谱内的变化，（插图）MOCHI和玻璃反射率的光谱依赖性比较。蓝色三角形表示使用激光（24）进行的独立测量的数据点。（E）照片显示了两个1英寸厚的MOCHI板在被压向彼此时实现光学接触。照片是在照明下拍摄的，该照明被优化以允许由于弱表面反射和透明度而通常“不可见”的板的可见性。（F）（E）中的MOCHI板在不同入射角的光学粘合之前和之后的归一化透射率。（插图）激光切割的多厘米厚的MOCHI板放置在玻璃上，限定了印刷在下面的白色上的形状。
图3.在中空玻璃单元中使用MOCHI的隔热性能和影响。（A）在不同温度下MOCHI的热导率与孔隙率的关系。洋红色实线是眼睛指南。（插图）照片描述了MOCHI薄膜的阻燃性和热超绝缘性，同时防止火焰（电影S1），允许安全的现场烧烤。（B）不同厚度的MOCHI的热红外透射率。（插图）每微米单位波长的加权红外透射发射率（WTE）（24）对于300 K的黑体辐射，MOCHI与1 mm厚MOCHI的（左）厚度和（右）光入射角的关系。（C和D）光学照片显示MOCHI-IGU的高透明度和显色性。（C）52.5 x 65 cm，35 mm厚，R = 3.24 m² K/W和（D）35 × 50 cm，厚度37.5 mm，R = 3.65 m² K/W（24），分别在-4° C和16°C的外部和内部温度下测量。（E和F）（C）和（D）中所示MOCHI-IGU的热照片，与气隙为12 mm的传统双窗格IGU相比，在（E）热箱（40°C）和（F）冷箱（-10 ° C）环境中。(G)横向尺寸为127.5 × 25 cm，厚度为37.5 mm的复杂形状MOCHI-IGU的光学照片，R = 2.8m² K/W（24）。（C）至（G）中标记的R值单位为英尺2·小时°F Btu−1。（H）不同厚度的MOCHI板的光学和热图像，范围为1.6至25 mm，其中后者分别在40°C和-10 ° C的温度下在热箱和冷箱上方进行。（I）MOCHI-IGU替换单窗格窗户实现的建筑物加热和冷却节能百分比的全球地图，平均超过一年，如对标准单户住宅的估计（24）。
图4. MOCHI实现的太阳热能利用。（A）MOCHI板的光谱透射率（黑色曲线）在可见光和近红外范围内显示出高透明度，这对应于地球表面的太阳辐射光谱（橙子），沿着在热红外范围>5 μm的部分具有强吸收。(B)环境条件下黑体热接收器在不同辐照强度下的停滞温度（用于监测的太阳辐射强度）和使用太阳模拟器，如（A）插图（24）中示意性地示出的。（C）每微米单位波长的加权透射发射率（24），由600 K黑体辐射加权，（D）不同厚度MOCHI板的太阳能热利用系统的热损失系数。（插图）通过MOCHI从吸收器逸出的热量。（E）基于平均太阳辐射（24）绘制的全世界每平方米每天由太阳能热板产生的年平均能量。（F）显示满足美国单户住宅的加热和冷却能量需求所需的平方米板的数量的地图。根据地理位置和平均年能源消耗量，使用EnergyPlus进行模拟（24）。
