灵感源于大象耳朵的节能建筑：创新相变材料助力绿色未来

在当今全球推动绿色低碳发展的背景下，建筑能耗占据了全球能源消耗的巨大比例。数据显示，建筑物的能源需求约占全部能源使用的40%，其中大约一半用于维持室内的舒适温度。如何在确保居住舒适性的同时减少建筑能耗，成为工程师与科学家们共同面临的巨大挑战。近期，德雷塞尔大学工程师们从大自然中寻找到创新灵感，提出了一种受大象和兔子耳朵血管系统启发的建筑材料设计方案，致力于被动调节建筑表面温度，为节能建筑开辟新思路。 灵感源自自然界的温控系统是工程领域常见的研究方向。大象和北美野兔耳朵作为血管丰富的器官，通过调节血液流量达到控制体温的效果。

血液流向耳朵表面时，能将多余热量散发出去，而寒冷时则减少流量保持体温稳定。德雷塞尔大学的研究人员借鉴这一生物结构，将类似的“血管网”设计理念应用到建筑材料中，构筑了一套具有空腔通道的水泥基材料系统，通道中充填相变材料，实现建筑墙壁、地板和天花板的主动式热能调节。 这项创新技术的核心是嵌入水泥结构内部的脉络状通道网络。通道先由可溶性聚合物模板制造，形成多种图案和尺寸，随后模板被溶解，通道内填充了具有相变特性的石蜡类材料。石蜡能够在温度变化时吸热和释放热量，在固态和液态之间转变过程中调节温度，从而实现建筑表面的被动温控。相较于传统完全依赖外部HVAC系统调节温度的做法，该技术通过材料自身的物理特性减少热量流失，提高能源利用效率。

值得关注的是，相变材料的相变温度选取对实际应用尤为关键。德雷塞尔的研究团队试验了一种熔点约18摄氏度的石蜡相变材料，适用于寒冷气候环境，有效减缓气温变化对建筑表面造成的温度波动。未来若用于温暖地区，可以采用相应调节相变温度的材料以实现最优温控效果。此外，不同的通道空间结构如单一通道、多通道、平行排列或菱形网格被逐一测试，其中菱形网格结构在热性能和材料强度之间取得最佳平衡，既保证建筑材料的结构稳定性，又实现理想的温度调节效果。 除了热性能外，建筑材料的机械强度和耐久性同样至关重要。由于通道设计在水泥内部形成空腔，可能影响材料的整体强度。

为此，团队通过在水泥中添加细骨料等改良剂，提升其致密性和韧性，同时确保通道的功能不受影响。实验结果显示，优化后的材料不仅具备承载外部负荷的能力，还能有效执行温控功能，满足实际建筑用途需求。 应用这项技术之后，建筑表面的温度变化被大幅度减缓，测试表明温度变化速度降低至每小时约1至1.25摄氏度，有效减轻了热桥效应和空气渗漏造成的热量流失问题。通过减少对机械制冷和采暖设备的依赖，建筑物能够显著降低能源使用，降低二氧化碳排放，促进建筑行业的可持续发展。 德雷塞尔大学的研究团队不仅展现了技术的可行性，还强调了生产工艺的简便和成本效益。利用3D打印技术制作可溶性模板，再填充相变材料，具备良好的可扩展性和工业应用潜力。

未来，随着对不同材料配方和通道设计的持续优化，有望进一步提升节能效果和材料性能，为绿色建筑设计提供强有力的科技支撑。 这一研究所体现的自然启发式设计理念也反映了现代工程与环境科学的跨界融合趋势。借鉴生物体自我调节的机制，突破传统建筑材料的功能界限，开拓了材料智能化发展的新方向。无论是在冬季保温还是夏季降温，相变材料的应用为解决建筑能耗问题带来革命性的思路，为全球能源转型和气候变化挑战贡献重要力量。 此外，该项目在学术和产业界均具有广泛的影响力。它展示了高校科研机构如何通过创新研究推动绿色建筑技术突破，也为相关产业提供了新的研发与商业化路径。

未来，随着材料科学、智能制造与建筑工程的深度结合，类似基于相变材料的智能建筑材料料将可能成为智能城市建设和低碳转型的重要基石。 总之，德雷塞尔大学工程师团队通过模拟大象和兔子耳朵血管结构，创制出具有相变通道的水泥基建筑材料，为实现被动调节温度、降低能源消耗开辟了崭新渠道。这一技术不仅有效缓解了传统建筑表面热量流失的问题，还结合了结构强度与热性能，具备实际可行性和发展潜力。未来，随着更多应用案例和技术完善，其将为绿色建筑领域注入强劲动力，推动全球的节能减排事业走向更高水平。