保持室內空間舒適需要大量能源。大約一半的美國家庭能源用於供暖和製冷，這在水電費和溫室氣體排放中都佔了很大一部分。儘管許多建築物的外牆都填充了絕緣材料以維持理想溫度，但其他建築物（尤其是舊建築物）的能源效率卻令人震驚地低下。
幾十年來，科學家們一直在研究更高科技的解決方案來解決這個問題。現在，材料科學家們開發出了一種變色薄膜，它可以在供暖和製冷模式之間切換。這種薄膜比信用卡還薄，只需極少的能量即可執行，並且有朝一日可以包裹住最浪費能源的建築物，以幫助在夏季散發不必要的熱量，並在冬季將其捕獲。這項研究結果最近發表在《自然·可持續性》雜誌上。
密蘇里大學的機械工程師姚翟（音譯）說：“這是一個非常令人印象深刻的結果”，他沒有參與這項研究。
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新裝置利用了一種稱為輻射冷卻的自然現象，這種現象使室外溫度在夜間下降，並有助於冷卻整個地球。我們周圍的一切，包括我們的身體和建築物，都在不斷地以中紅外輻射的形式散發熱量：中紅外輻射是一種電磁波，其頻率低於肉眼可見的光。“人們可以使用熱像儀看到物體、看到人類、看到建築物，這意味著它們 24/7 全天候都在釋放能量，”芝加哥大學分子工程師、該研究的資深作者許柏鈞（Po-Chun Hsu）說。
如果您從軌道上用熱像儀對準地球，您還可以看到熱量從地球輻射到寒冷的太空。與其他波長的光相比，我們的大氣層幸運地允許更多的中紅外線輻射到地球之外。普渡大學的電氣工程師彼得·伯梅爾（Peter Bermel）解釋說，儘管大部分熱量離開了地球，但仍有一些熱量被大氣中的溫室氣體捕獲——足以擾亂地球的熱平衡並導致氣溫上升，他沒有參與這項新研究。隨著全球氣溫升高，科學家們正在開發解決方案，以最大限度地提高透過輻射冷卻釋放的熱量。這些技術包括可以包裹在建築物周圍以使其散發更多熱量的薄膜。但是世界上許多地區既有嚴寒的冬季，也有酷熱的夏季。“當室外溫度已經低於冰點時，您肯定不希望您的房屋快速降溫，”伯梅爾說。
這種兩難境地是新型塗層的靈感來源，這種塗層可以透過簡單的電流脈衝在高熱量排放和低熱量排放之間切換。類似的調諧裝置已經存在於可見光領域：所謂的動態窗戶可以在透明和不透明之間切換，以控制它們透過的光量。但直到現在，還沒有建築薄膜可以對中紅外熱量做到同樣的效果。
新材料從製冷模式開始。在極薄的電導體下方，是一個裝有溶解銅離子的少量水的水庫。在這種狀態下，該裝置自然會輻射熱量，從而冷卻建築物內部。然後，當導體層施加少量電荷時，溶解的銅會沉積在其表面，在水庫上方形成一層薄薄的銅層。由於銅吸收的紅外熱量排放量很少，因此該裝置現在可以捕獲熱量。這種變化可以反覆逆轉，儘管重複使用會使效果遞減：經過 1,000 次迴圈後，製冷和制熱模式的效率都會降低。
作者估計，如果將這項技術應用於建築物外部的薄膜，那麼在全年溫差劇烈的氣候條件下，它可以節省 8.4% 的供暖和製冷能源。建築物也會改變顏色，從夏季的暗白色變為冬季的金屬銅色，儘管薄膜可以覆蓋一層特殊的油漆，這種油漆不會干擾中紅外輻射。
阿卜杜拉國王科技大學的材料科學家兼工程師甘巧強（音譯）說：“目前這只是展示該機制的第一步，我們已經看到了非常好的進展”，他沒有參與這項研究。與其他一些研究小組之前嘗試使用水溶液製造可調諧裝置的嘗試相比，新系統似乎很有前景。一些被考慮用於類似裝置的材料具有高度易燃性，顯然不適合包裹建築物。新型薄膜不會燃燒，但這並不意味著它已經可以投入使用。
除了隨著時間的推移效率降低外，新裝置的主要缺點是成本高昂。覆蓋薄膜外層的薄電極是高質量的石墨烯，這是一種昂貴的單原子層碳陣列。石墨烯的超薄厚度允許熱量透過，同時材料仍然導電。為了使這些建築外殼可行，研究人員將不得不使用更便宜的材料實現相同的效果——並且這些材料可以大規模生產。許柏鈞和他的團隊計劃嘗試使用低質量的石墨烯和其他材料，以找到更具成本效益的替代品。他們還計劃嘗試使用更便宜的金屬（如鋅）來替代銅。
在價格和效能之間取得平衡需要時間，因此未來幾年內，社群可能不會遍佈變色環保建築。但甘巧強說，“這是一個非常非常熱門”的研究課題，並且有充分的理由。伯梅爾說，雖然減少約 8% 的能源消耗似乎微不足道，但“如果您從社會規模來考慮，那可能會產生非常重大的影響”。“能源需求和供應方面的幾個百分點的變化可能會帶來很大的差異。”