- 賓夕法尼亞大學研發無需電力的水泥瓷磚，模仿大象皮膚降溫效果。
- 瓷磚的裂紋網絡能夠有效捕捉水分並緩慢蒸發，降低表面温度。
- 這項技術無需電力，能減少建築物的熱量吸收，對環境友好。
- 目前瓷磚處於概念驗證階段，尚需進一步測試以推廣商業應用。
賓夕法尼亞大學的研究人員開發了一種水泥瓷磚，能夠在無需電力的情況下通過模仿非洲大象的裂紋和蓄水皮膚，冷卻建築物。這些瓷磚在可控的裂紋網絡中捕捉雨水或霧氣，然後通過蒸發緩慢釋放水分，從而將熱量帶走。相關研究發表於《先進材料》期刊。此項工作的團隊由建築師 Dorit Aviv 和材料科學家 Shu Yang 牽頭。他們的瓷磚由普通波特蘭水泥和硅藻土混合而成，這是一種由化石化藻類衍生的多孔材料。
這種組合成本低廉、資源豐富且易於生產。
以往水泥的開裂問題通常被視為缺陷，而這項研究卻將其視為設計特徵。在可控的乾燥條件下，賓大瓷磚能夠發展出可預測的裂紋網絡，而非傳統水泥所形成的隨機裂縫。關鍵在於硅藻土。其微米和奈米級孔隙可在 50 毫秒內吸收水分，速度快於水滴滾落或彈開的時間。裂縫網絡隨後作為毛細管系統，將水分導向瓷磚表面並保持水分，以便緩慢蒸發，即使在傾斜或垂直的表面上也能有效。
瓷磚的冷卻效果與測試
Yang 實驗室的博士後研究員 Yu 表示：「我們意識到儲水和移動水其實是兩個不同的問題。」可編程的裂紋網絡同時解決了這兩個問題。賓大團隊在紅外加熱下對其瓷磚進行了測試，並定期澆水以模擬炎熱的晴天，伴隨偶爾降雨或灌溉。結果顯著。在大象皮膚瓷磚下，表面温度保持在穩定的 89.6°F (32°C)。而開裂的商業性抹灰水泥因吸水效率較低，温度達到 107.6°F (42°C)。
未開裂的抹灰水泥則上升至 125.6°F (52°C)。這與未開裂表面相比，差異可達 36°F (20°F)。Yang 指出：「這種被動的仿生冷卻外立面相比傳統抹灰水泥，可降低 10 至 20°F 的表面温度。」此技術無需電力、製冷劑或活動部件。瓷磚通過蒸發的方式，冷卻建築物的方式與汗水冷卻人體相似。
技術對環境的影響
美國的建築物消耗了大約 40%的國家主要能源。近一半的能源用於加熱、冷卻和通風。傳統空調解決室內温度問題，但卻使室外情況惡化：其將廢熱直接排放到外部，提升了密集城市區域的環境温度，加劇了城市熱島效應。被動蒸發外立面不會向周邊環境添加熱量，而是減緩熱量吸收並將水分重新返回大氣中。所涉及的材料，波特蘭水泥和硅藻土，是全球最常見的建築材料之一，這意味著一旦該技術超越實驗室，其成本和可獲得性不太可能成為推廣的障礙。
賓大團隊的瓷磚目前處於概念驗證階段，已在可控條件下的實驗室規模中進行演示。在任何商業推廣之前，對完整建築外立面及現實天氣條件的測試將是邏輯上的下一步。這項研究首次發表於《先進材料》期刊。
無需電力的建築冷卻技術的潛力
賓夕法尼亞大學的水泥瓷磚技術展示了如何利用自然現象進行建築冷卻，這對於減少能源消耗具有重要意義。隨著全球對可持續建築需求的增加，這種被動冷卻技術的發展可能成為未來建築設計的一個重要方向。特別是在城市熱島效應日益嚴重的背景下，這項技術能夠減少對傳統空調系統的依賴，從而為環境保護做出貢獻。