Drexel University 的研究人員開發出一種新型建築材料，旨在改善建築物的溫度控制。這種材料受到野兔和大象耳朵的啟發，採用水泥基材並嵌入微小通道網絡，通道內充滿石蠟，能夠被動地加熱或冷卻牆壁、地板和天花板等表面。
該研究旨在應對建築物龐大的能源需求，這些建築物約占總能耗的 40%。其中大約一半的能量用於加熱或冷卻。
Drexel 工程學院的本科生 Rhythm Osan 表示：「在建築設計上，擁有大量窗戶區域看起來很美觀，但這也會減少絕緣性能。」他補充說：「理想情況下，建築物不會失去任何熱量，但從實際施工的角度來看，熱橋、空氣泄漏、材料性能和接縫處理等問題總是會導致一些熱量損失。」
研究團隊選擇將建築表面轉變為主動的溫度調節器，而不是對抗熱量泄漏的現實。
石蠟與水泥的協同作用來自於將特製的聚合物基質與水泥結合，形成表面內部的血管系統。這個內部網絡填充了石蠟，這是一種相變材料（PCM），類似於蠟燭中使用的材料。
相變材料非常適合這一應用，因為它們在固體和液體之間轉變時能夠吸收和釋放熱量。當溫度下降時，石蠟固化並釋放熱量；當溫度上升並融化時，它則吸收熱量，產生冷卻效果。
Drexel 高級基礎設施材料實驗室的研究科學家 Robin Deb 博士表示：「我們之前已經使用基於石蠟的材料作為自加熱水泥的相變成分，因此我們知道這是一種可靠的天然物質，可以影響水泥建築材料的表面溫度。」他指出：「在這個應用中，我們選擇了熔點約為 18 攝氏度的相變材料，以測試其在寒冷氣候中的有效性，但該系統也可以根據需要調整相變材料，以適應較暖的氣候。」
這一概念與人類和動物調節體溫的方式相似。項目負責人 Amir Farnam 博士解釋說：「當外界氣溫較高時，血液會流向表面，可能會讓臉紅並開始出汗，這樣通過相變過程——汗水蒸發來降溫，這是一個非常有效的自然過程，我們希望在建築材料中複製這一過程。」
為測試設計，研究人員創建了多個水泥樣本，每個樣本具有不同的通道圖案和排列，包括單一、多重、平行、對角和菱形網格。通道厚度範圍在 3 毫米至 8 毫米之間。
研究團隊填充石蠟後，進行了機械強度和溫度變化調節能力的測試。在各種設計中，菱形通道網格提供了最佳的強度和熱性能組合。這種版本在調節表面溫度的同時，能夠以每小時 1 至 1.25 攝氏度的速度減緩加熱或冷卻。
Deb 表示：「我們發現，更多的血管表面積等於更好的熱性能。這一觀察與大象和野兔耳朵的生理特徵相似，這些耳朵擁有廣泛的血管區域來幫助調節體溫。」
研究團隊相信，這些血管材料可以在建築中發揮類似的作用，幫助抵消溫度變化並降低 HVAC 的能源需求，以保持熱舒適度。
儘管通道是空心的，但該材料在實用性上仍保持強度。添加細骨料提高了其耐用性，而不影響血管系統。
Farnam 表示：「這項研究旨在展示概念驗證，這些結果是有希望的，並且是我們可以進一步發展的基礎。」他指出：「這顯示了這種方法在水泥材料中調節表面溫度的有效性，以及一種簡單且具成本效益的生產方法。隨著進一步的測試和擴大規模，我們相信這將對改善建築能源效率的許多持續努力做出重大貢獻。」
接下來，研究團隊計劃實驗不同類型的相變材料、替代通道設計和更大規模的建築材料樣本。這些試驗將在更長的時間內和更為多樣的環境條件下進行，以評估其長期性能。
該研究已發表於《建築工程期刊》。
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