一种透明新材料能让窗户节能效果大幅提升

这种材料名为介孔光学透明隔热材料（Mesoporous Optically Clear Heat Insulator），简称MOCHI。它可制成厚块或薄而柔韧的薄片，附着在普通窗户的内表面。目前，MOCHI仅在实验室生产，尚未面向消费者，但研究人员表示其耐用且几乎完全透明。

由于其透明性，MOCHI能保持视野畅通，这使其有别于许多其他窗户隔热产品。

“为了阻止热交换，你可以在墙壁中添加大量隔热材料，但窗户需要透明，”该研究的资深作者、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授伊万·斯马柳赫（Ivan Smalyukh）说，“找到透明的隔热材料确实极具挑战性。”

该研究团队于12月11日在《科学》（Science）期刊上发表了他们的发现。

为何窗户热量流失至关重要
各类建筑，从房屋到大型办公塔楼，约占全球能源消耗的40%。其中大部分能源被浪费了——冬季热量外泄到室外，夏季热量进入室内。斯马柳赫及其合作者希望MOCHI能减缓这种不必要的热流。

这种新材料是一种具有复杂内部结构的硅基凝胶。它含有被困在极细孔隙中的空气，这些孔隙比人类头发细得多。这些微小的气穴使MOCHI成为出色的热屏障。事实上，仅5毫米厚的薄片就足以让人安全地将火焰靠在其上。

“无论室外温度如何，我们希望人们无需浪费能源就能在室内拥有舒适的温度，”斯马柳赫说，他同时是科罗拉多大学博尔德分校可再生与可持续能源研究所（RASEI）的研究员。

MOCHI如何控制光和热
斯马柳赫将MOCHI性能的关键归因于其精确排列的气穴。

这种新材料与气凝胶有相似之处，气凝胶是许多行业中广泛使用的知名隔热材料（美国国家航空航天局在火星漫游车内使用气凝胶为电子设备保暖）。气凝胶也依赖充气孔隙，但这些孔隙通常呈随机排列，会散射光线。这就是为什么气凝胶常显得浑浊，有时被称为“凝固的烟雾”。

科罗拉多大学博尔德分校的团队希望获得一种既能保持透明又能提供强大热阻的隔热材料。

为了制造MOCHI，研究人员将表面活性剂分子与液体混合物结合。这些分子自然聚集成线状结构，有点像沙拉酱中油和醋分层时的分离现象。混合物中的硅分子附着在这些细线的表面。

通过几个受控步骤，研究人员随后移除洗涤剂团簇，并用空气替代。这留下了一个硅框架，周围是超小充气通道网络。斯马柳赫将这种复杂的结构比作“水管工的噩梦”。

空气占MOCHI体积的90%以上。

在分子尺度阻止热量传递
热量在气体中的传播方式类似于台球式的连锁反应。能量使气体分子和原子运动加快并相互碰撞，在碰撞时传递热量。

MOCHI内部的孔隙非常小，气体分子无法自由碰撞。相反，它们反复撞击硅壁，这阻止了热量轻易通过材料传播。

“分子没有机会相互自由碰撞和交换能量，”斯马柳赫说，“相反，它们会撞击孔隙壁。”

尽管具有强大的隔热能力，MOCHI仅反射约0.2%的入射光，几乎允许所有可见光通过。

潜在用途与未来发展
研究人员设想这种能有效隔热的透明材料有多种应用。一种可能性是制造一种装置，捕捉阳光中的热量并将其转化为低成本、可持续的能源。

“即使在多云天气，你仍然可以利用大量能量，然后用它来加热水和建筑内部，”斯马柳赫说。

目前，MOCHI尚未准备好商业发布。其实验室生产需要相当长的时间，尽管斯马柳赫认为可以开发更高效的制造方法。用于制造MOCHI的组件成本相对较低，这支持了该技术规模化的长期潜力。

目前，MOCHI的前景依然光明，就像透过涂有这种材料的窗户看到的清晰视野一样。

该研究的共同作者包括科罗拉多大学博尔德分校物理系的所有博士后研究助理：阿米特·巴哈德瓦杰（Amit Bhardwaj）、布莱斯·弗勒里（Blaise Fleury）、埃尔多·亚伯拉罕（Eldo Abraham）和李泰宇（Taewoo Lee）。科罗拉多大学博尔德分校的前博士后研究员博丹·谢纽克（Bohdan Senyuk）、扬·巴特·滕霍夫（Jan Bart ten Hove）和弗拉迪斯拉夫·切尔帕克（Vladyslav Cherpak）也作为共同作者参与了研究。