智能建材：全面改善居住體驗(yàn)

文·圖/李偉

人們通常認(rèn)知中的智能建筑，是利用計(jì)算機(jī)、通信、AI等技術(shù)為住戶提供服務(wù)。其實(shí)，改善居住體驗(yàn)的建筑智能化還體現(xiàn)在材料和結(jié)構(gòu)上。智能建筑材料的創(chuàng)新對(duì)于建筑的發(fā)展至關(guān)重要，能夠極大地優(yōu)化設(shè)計(jì)和建造理念，提升建筑的品質(zhì)，延長(zhǎng)其使用壽命。

智能混凝土外墻可實(shí)現(xiàn)綠化效果

智能玻璃已應(yīng)用在建筑領(lǐng)域

里程碑：智能化恒溫建材

據(jù)英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，美國(guó)芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)院的研究人員，開(kāi)發(fā)出一種具有里程碑式意義的智能建筑材料。這種被喻為“變色龍”的建筑材料可以根據(jù)外部溫度的變化改變顏色，并吸收或釋放熱量。在炎熱的天氣里，這種智能建筑材料能散射多達(dá)92%的紅外線熱量，幫助建筑物內(nèi)部降溫；在寒冷的天氣里，這種材料只散射7%的紅外線熱量，有助于建筑物內(nèi)部保溫。

以上述智能建筑材料為基礎(chǔ)的節(jié)能方案，形象地說(shuō)就是在冷的時(shí)候給建筑物“加衣”，在熱的時(shí)候給建筑物“脫衣”，在不消耗大量能源的情況下保持建筑物內(nèi)部的溫度恒定適宜。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑物能耗占全球能源總消耗量的30%，其碳排放量占全球總排放量的10%。對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)，大約一半的能源消耗歸因于室內(nèi)空間的溫度調(diào)節(jié)，即供暖和制冷。

紅外線是物體向外輻射的不可見(jiàn)光，也是一種熱量。在傳統(tǒng)的節(jié)能建筑材料研發(fā)領(lǐng)域，研究人員朝兩個(gè)方向推進(jìn)：一是冷卻型建筑材料，即通過(guò)增強(qiáng)建筑物向外散射紅外線的能力來(lái)幫助其內(nèi)部降溫；二是保溫型建筑材料，即在寒冷天氣里阻止建筑物向外散射紅外線，使其內(nèi)部的溫度不下降。

芝加哥大學(xué)此項(xiàng)研究成果的亮點(diǎn)在于，將上述兩個(gè)研發(fā)方向統(tǒng)一起來(lái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出智能化恒溫建筑材料。它包含可呈現(xiàn)兩種構(gòu)象的材料層：一種是能保留大部分紅外線熱量的固態(tài)銅，另一種是能散射紅外線的溶液。感應(yīng)到溫度變化時(shí)，材料的智能控制系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，使用少量電能將銅沉積到溶液中，或者剝離出來(lái)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)控制材料的熱量散射。

研究團(tuán)隊(duì)解釋了這種智能建筑材料如何在兩種狀態(tài)之間快速且可逆地切換。試驗(yàn)表明，在反復(fù)切換1800個(gè)周期后，該材料的兩種構(gòu)象之間仍然保有任意切換的能力。

研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了這種新型材料在不同城市的典型建筑中發(fā)揮作用的模型。研究報(bào)告顯示，在一棟普通的商業(yè)建筑中，用于引起該材料變化的電量不到建筑總用電量的0.2%，能夠降低用于供暖和制冷的能耗，節(jié)能總量占建筑總能耗的8.4%。

智能建材的分類

上述新型智能建材技術(shù)上升到了一個(gè)新的高度，全面改善居住體驗(yàn)的智能建材離我們?cè)絹?lái)越近了。

智能材料的分類方式有多種。在建筑領(lǐng)域，根據(jù)智能材料模擬生物行為的模式，可將其分為智能傳感材料、智能驅(qū)動(dòng)材料、智能修復(fù)材料和智能控制材料四大類。

采用智能混凝土外墻和智能瓦片的建筑

具體來(lái)說(shuō)，上述四類智能建材主要包括應(yīng)用在綠色建筑領(lǐng)域的智能混凝土（即人們通常所說(shuō)的自修復(fù)混凝土、自調(diào)節(jié)混凝土和自感應(yīng)混凝土），智能乳膠漆（通過(guò)室內(nèi)外光線的變化來(lái)改變墻體的反射率，起到調(diào)節(jié)室內(nèi)采光的作用），智能玻璃（建筑玻璃材料的主體）和智能涂料（有吸收物質(zhì)的能力，主要用于消除煙味或其他異味）。

隨著智能化環(huán)境成為我們生活中不可或缺的一部分，人們對(duì)智能建筑材料的應(yīng)用也提出了更高的要求：它可以根據(jù)天氣的變化顯示相關(guān)信息；可以在黑暗中發(fā)光以代替燈具進(jìn)行照明……

建筑中采用的智能材料，其最大特點(diǎn)就是互動(dòng)性——能夠根據(jù)環(huán)境變化做出反應(yīng)，例如溫度變化、壓力變化、紫外線輻射量的變化、磁場(chǎng)或電場(chǎng)強(qiáng)度變化等等。在感應(yīng)到這些變化后，智能建筑材料就可能改變顏色、透明度、硬度，甚至外觀形狀。

已得到應(yīng)用的智能建材

智能化建筑材料往往為納米級(jí)，這使它們具備了獨(dú)特的性能。這類材料通過(guò)顏色、溫度或形狀的變化，可以實(shí)現(xiàn)不同的功效，而且這些變化都是可逆的和可重復(fù)的。英國(guó)《新科學(xué)家》雜志列舉了已經(jīng)得到應(yīng)用的幾種智能建筑材料。

一是全息玻璃，它能根據(jù)反射光的類型和觀察者的位置改變顏色。建筑師從視覺(jué)效果和實(shí)用性的角度選擇使用全息玻璃。它們主要用于建筑物外圍的護(hù)墻，也可用于室內(nèi)的間隔墻。

二是反光聚合物。它與全息玻璃的功能類似。兩者的不同之處在于，全息玻璃可呈現(xiàn)精致的平面圖案，而反光聚合物可顯示動(dòng)態(tài)、三維的圖案和紋理。

堅(jiān)固耐用的智能木材

三是智能調(diào)光玻璃，即可調(diào)控透明度的玻璃。其技術(shù)類型包括電致變色、光致變色和熱致變色。這種玻璃的透光特性取決于光或熱的影響。它在夏天可降低透明度，以阻擋刺眼的光線進(jìn)入建筑物；在冬天，它會(huì)變得全透明，讓溫暖的光線進(jìn)入。另外，智能調(diào)光玻璃可以阻擋多達(dá)90%的有害紫外線輻射。

四是智能木材。與上述智能化玻璃多變的特性不同，智能木材的性能特點(diǎn)恰恰在于“不變”。在響應(yīng)環(huán)境變化方面，它可以說(shuō)是不會(huì)對(duì)任何外部刺激做出反應(yīng)的材料，“以不變應(yīng)萬(wàn)變”。經(jīng)過(guò)強(qiáng)化熱處理的智能木材，具有高耐候性（適應(yīng)氣候變化的性能）和更長(zhǎng)的使用壽命，可用于建筑物的外墻和外部覆層。由于“不變”的特性，它能抵御化學(xué)腐蝕和害蟲(chóng)，可以在任何氣候中使用。

五是智能混凝土。這是一種含有微生物的混凝土，能夠生成氧氣，并吸收二氧化碳和污染物，從而使建筑物具備自動(dòng)提升內(nèi)部空氣質(zhì)量的能力。根據(jù)需要，它還可以實(shí)現(xiàn)綠化與建筑融為一體的視覺(jué)效果。

六是智能塑料。這種塑料的原料和制作方法都非常特別——從運(yùn)河和其他水道中收集藻類，從中獲得微生物纖維素，經(jīng)發(fā)酵后織成層狀結(jié)構(gòu)。它是半透明的，具有重量輕、堅(jiān)固、隔熱等特性，可用作隔斷屏風(fēng)、內(nèi)部包層等。

七是智能瓦片。它是大型太陽(yáng)能電池板的替代品。這種小型瓦片可與傳統(tǒng)的屋面瓦交替鋪設(shè)，既美觀耐用，又能吸收、儲(chǔ)備太陽(yáng)能。與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板相比，其安裝過(guò)程十分便捷，而且可以很方便地連接到家庭的電氣系統(tǒng)中。