神奇的“建造元素”

眾所周知，創(chuàng)新總是來源于不同領(lǐng)域知識的融合及其在新的環(huán)境背景下的應(yīng)用。新的可持續(xù)性材料的應(yīng)用與建造方法的發(fā)展不可剝離，而且互相影響。我們不僅要關(guān)注最少量的建筑能耗，更重要的是，把關(guān)注的焦點(diǎn)放在未來對能源和材料如何智能化利用上。

在建筑中利用最新的材料科研發(fā)展成果，不僅能夠啟發(fā)建筑師的創(chuàng)意，而且也體現(xiàn)了建筑業(yè)工作者的環(huán)境意識。

眾所周知，創(chuàng)新總是來源于不同領(lǐng)域知識的融合及其在新的環(huán)境背景下的應(yīng)用。新的可持續(xù)性材料的應(yīng)用與建造方法的發(fā)展不可剝離，而且互相影響。我們不僅要關(guān)注最少量的建筑能耗，更重要的是，把關(guān)注的焦點(diǎn)放在未來對能源和材料如何智能化利用上。

未來材料已成為現(xiàn)實(shí)，它們存在于日常生活諸多用品中。當(dāng)我們面臨發(fā)展可持續(xù)建筑的挑戰(zhàn)時(shí)，它們可以幫助我們找到很多答案。問題不在于你選擇哪種材料，而在于哪些可取的特性可以用來應(yīng)對哪些具體的情況。最終元素的周期表將定義我們的建筑體塊。

以下兩部分描述了兩組神奇的前沿建筑材料。

智能材料

傳統(tǒng)的材料是靜態(tài)的，它們通常的功能是抵御外來的影響，例如壓力、拉力和溫度的影響；智能材料則是動態(tài)的，因?yàn)樗鼈儾粩嗟貞?yīng)對外部影響。這啟發(fā)了材料應(yīng)用新思路：與其被動地建構(gòu)，使建筑成為氣候的屏障，不如使用智能材料建設(shè)樓宇，動態(tài)的功能和信息原則上可以在任何地方安裝，量化智能系統(tǒng)可以適應(yīng)用戶的要求。建筑物可以應(yīng)對溫度和光線的變化，加強(qiáng)對高峰負(fù)荷乃至風(fēng)暴和地震的承受能力。

智能材料已很大程度存在于我們?nèi)粘Ｉ钪?，許多產(chǎn)品都含有監(jiān)測或反應(yīng)功能，例如：在強(qiáng)烈日光下可降低透光率的玻璃，在不同溫度下可改變顏色的表面，還有可感知溫度自動開啟或關(guān)閉的窗子。

總體來講有兩類智能材料：特性改變材料和能量轉(zhuǎn)換材料。

1. 特性改變材料

智能材料中通過改變自身性狀以響應(yīng)外界變化的材料稱為特性改變材料。包括：

變色材料。它們有能力改變自身的光學(xué)特性從而改變顏色，深受設(shè)計(jì)師青睞。它們可因光、熱、壓力、酸度和電力的變化而變化。例如，電致變色玻璃窗可以因電流通過而變暗。

相變材料。它能夠存儲并釋放大量能量，可根據(jù)壓力或溫度改變?yōu)楣腆w或液體形態(tài)，其過程是可逆的，這意味著相變材料可以經(jīng)過無限多次的狀態(tài)轉(zhuǎn)換而不會退變。例如微囊內(nèi)裝有的石蠟，在環(huán)境溫度作用下產(chǎn)生相變，通過儲存和釋放熱量來調(diào)節(jié)室溫。

電活化材料。它將聚合物或金屬材料編織為紡織品并可導(dǎo)電。隨著我們這個(gè)時(shí)代越來越多地使用電子設(shè)備，人們對這種便攜材料特別感興趣。

2. 能量轉(zhuǎn)換材料

將能源從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，從而開始一個(gè)進(jìn)程或改變形式的智能材料被稱為能量轉(zhuǎn)換材料。它們的功能發(fā)揮需要得到外部控制的援助。

發(fā)光材料吸收能源后產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，例如已知的自然界磷發(fā)光現(xiàn)象，光色可以根據(jù)需求調(diào)整。我們從被稱為未來能源的用于水下燈的LED光源了解到：光致發(fā)光和電致發(fā)光材料的使用，都能使原本不發(fā)光的物質(zhì)產(chǎn)生光效應(yīng)。

壓電晶體受到機(jī)械力量影響時(shí)會產(chǎn)生一股電流，這種影響是可逆的。如果電流作用于它們，也會改變其內(nèi)部晶體形態(tài)。因此，壓電材料可作為傳感器和驅(qū)動器。從建筑設(shè)計(jì)的角度來看，風(fēng)動力能源和人類活動產(chǎn)生的動能將可以滿足用電、機(jī)械冷卻或其他耗能需求。

形狀記憶材料往往是金屬或聚合物。它們的特性是在發(fā)生幾何形變或受到破壞后能回恢復(fù)原來的形狀。例如用手術(shù)線縫合一根血管，血管在人體體溫作用下會回到它的原始形態(tài)，從而“線”也就消失了。

納米技術(shù)材料

總的來說納米材料很難分類，其特點(diǎn)是通過向已有天然或人工材料中添加直徑非常小的顆粒物，創(chuàng)造出具有新特性的材料。實(shí)際上，這是一種最缺乏傳統(tǒng)“材料性”意義的材料。

首先它是如此不可思議小，1nm 是1m的十億分之一，人類一根頭發(fā)平均厚度的十萬分之一。材料在納米尺度下的性質(zhì)與宏觀尺度大有不同。物質(zhì)在宏觀條件下產(chǎn)生的機(jī)理與影響的范圍，幾乎都可以用普遍存在的物理與化學(xué)定理解釋，而在納米世界里，情況則截然不同。在這里，重力影響被中和，而靜電和量子力學(xué)的主導(dǎo)作用取而代之。如果能熟練地控制納米級結(jié)構(gòu)，就可以在宏觀尺度上影響性能，從而產(chǎn)生全新的材料和工藝。

納米技術(shù)將影響幾乎所有行業(yè)，包括建造業(yè)。未來幾年之內(nèi)就能看到納米技術(shù)對于傳統(tǒng)建材如混凝土、玻璃、復(fù)合材料、絕緣材料甚至木材的特性有明顯改善。材料變得更強(qiáng)、更輕、更耐用、更便宜。換句話說，新材料的發(fā)展具有非常光明的未來，這不是投機(jī)主義，如今，許多充分利用了納米技術(shù)優(yōu)勢的材料已經(jīng)出現(xiàn)。

1. 功能表面“薄膜”

它也可以稱為功能膜，因?yàn)樗且粋€(gè)具有特殊性能的透明涂料。薄膜使用無處不在，例如，建筑物的外立面可濾掉紫外線從而保護(hù)建筑表皮免受日曬而老化的特富?。ň鬯姆蚁┩繉?。

荷葉的自潔功能是運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)模仿大自然性能的完美實(shí)例。利用納米技術(shù)，可以再現(xiàn)荷葉的防水性能。在這之前你可能會認(rèn)為防水表面應(yīng)盡可能地平整光潔，但細(xì)看之下你會發(fā)現(xiàn)荷葉的表面結(jié)構(gòu)是不平滑的。今天，模仿這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出了自潔玻璃。同時(shí)，也正在做改良傳統(tǒng)玻璃性能的實(shí)驗(yàn)，例如完全透明并可降解的纖維素結(jié)構(gòu)薄膜的研發(fā)，都將為玻璃薄膜材料提供新的選擇。

2. 生化活性材料

在納米世界里銀也是受歡迎的新材料之一。常態(tài)下，銀不易變形，在各種氣候狀況下具有相同的顏色，總體上是一個(gè)非常穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)。但在非常小的粒子狀態(tài)下，納米銀的性質(zhì)完全不同，它非常容易起反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)活潑，而且一直用于清潔和消毒表面。

同樣，二氧化鈦?zhàn)鳛楣庥|媒材料在歐洲是新興的材料，其實(shí)在日本已被廣泛使用。所謂光觸媒就是在紫外線作用下，形成自潔凈和空氣凈化表面。光觸媒材料可用于立面、屋頂板、橋梁和道路。由于它們的自我清洗性能也被用來維持醫(yī)院的無菌，并可為辦公室和餐館凈化空氣。這種表面的使用提高了20%～70%的空氣質(zhì)量?？梢哉f，如果把它用在城市中建筑的外墻，可以解決煙霧和其他污染引起的問題。

3. 納米固體

納米技術(shù)也可以用來制造固體材料，其中一個(gè)例子是電子梭，你可以利用電磁場制造紡織品。靜電紡織品的纖維只幾個(gè)原子厚度，換句話說，直徑比可見光波長還小，肉眼根本看不見。它們被用于許多情況，從生化活性物質(zhì)到隔音和空氣過濾。

如今最熱門的納米材料是碳納米管。該材料的特點(diǎn)是基于自然界中最小的“建造單元”——原子?，F(xiàn)在可以控制原子的排列方式使他們形成一個(gè)直徑1nm的碳原子管。這是一個(gè)很好的例子，預(yù)示不久顛覆即將到來。今天碳納米管用作添加劑，以加強(qiáng)復(fù)合材料和其他結(jié)構(gòu)材料。在不久的將來，納米管可以用來生產(chǎn)幻影材料的“巴基紙”。這是一種用長碳納米管編織并多層疊壓的紡織品。它看起來像普通的紙，重量只有鋼的1/10，但強(qiáng)度卻是鋼的500倍?？梢灶A(yù)言，這將改變我們一切建造方式，從高層建筑建設(shè)到飛機(jī)的制造。

幾十年來，我們一直耳聞納米技術(shù)將如何為建造業(yè)帶來巨大的變化，然而納米材料至今還只在非常有限的范圍內(nèi)得到應(yīng)用。一方面因?yàn)樗某杀靖撸狈蓮膮⒖柬?xiàng)目中獲得的經(jīng)驗(yàn)。另一方面，沒有清晰明確的任務(wù)目標(biāo)刺激其發(fā)展，而這個(gè)任務(wù)就是我們面臨解決由建造產(chǎn)生的環(huán)境問題的壓力。技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)目的的一種手段，然而真正的挑戰(zhàn)是如何發(fā)掘人類對新材料發(fā)明運(yùn)用的潛力。