隨著全球人口的增長和經濟的發展，大量的能源消耗和碳排放總量的不斷增加給環境帶來了巨大的壓力。到2022年，建筑約占全球能源消耗的34%，占能源相關二氧化碳排放量的37%。窗戶被認為是建筑物中最不節能的部分。熱致變色窗是一種根據溫度變化動態調節太陽透過率的窗戶，被認為是一種很有前途的建筑節能裝置。熱致變色窗一般都對特定的溫度有反應，在炎熱的中午變得不透明，在夜間溫度較低時變得透明，這可能會引起隱私問題。同時智能窗固定的工作溫度，也限制了各種氣候環境下的使用和用戶的個人的偏好。
近期，福州大學化工學院賴躍坤教授團隊通過預先引發單體丙烯酰胺（AAm）和丙烯酸（AA）合成P(AAm-co-AA)，實現了低溫響應。然后，將N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）和AAm引入到P(AAm-co-AA)中，原位合成PNA凝膠。開發了一種具有Tlum=84.4%、ΔTsol=69.5%的雙向響應溫度(冷、熱)及透光區間可調的智能窗。這類材料能在炎熱天氣阻擋紅外光，而在晚上時會變得不透明從而保護居住者隱私。此外，水凝膠的最高臨界溶解溫度（Tp）和最低臨界溶解溫度（LCST）以及兩個溫度之間的透光區間可以靈活調整，以適應不同的氣候和用戶的個性化需求。該研究以題為“Bidirectional Temperature-Responsive Thermochromic Hydrogels with Adjustable Light Transmission Interval for Smart Windows“的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。
雙向溫度響應智能窗
在P(AAm-co-AA)的基礎上，團隊引入了NIPAm、AAm，通過原位聚合形成了具有溫度響應性的P(AAm-co-AA)/NIPAm/AAm 水凝膠（PNA）。這種水凝膠在不同溫度下表現出獨特的光散射效應，如圖1a所示，PNA水凝膠在26°C時展現出84.4%的高透光率，保證了室內充足的自然光照，同時對采暖負荷的影響降至最低。當環境溫度下降至10°C時，PNA水凝膠的透光率急劇下降至0.8%，保護了居住者隱私。相反，在36°C的高溫環境下，PNA水凝膠能有效阻擋可見光及近紅外光，減少室內溫度的上升。通過圖1b的微觀結構表征，研究團隊揭示了PNA水凝膠在不同溫度下的內部結構變化。在低溫時，水凝膠的網絡結構緊密，呈現出不透明的特性；而在26°C時，網絡結構變得疏松，允許光線通過，賦予材料以高透明度；當溫度升高至36°C時，水凝膠孔隙的減小和網絡的致密化導致了顯著的光散射，使窗戶變得不透明。為了確保PNA水凝膠的化學成分和結構穩定性，團隊采用了傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術進行分析，不僅驗證了水凝膠的化學組成，也為其在實際應用中的可靠性提供了科學依據。
圖1.智能窗的制備及表征
溫度介導的氫鍵相互作用和光調節機制
研究團隊深入探討了不同溫度下PNA水凝膠相分離過程中的氫鍵相互作用及其光調節機制。研究發現，水凝膠透明度降低，對應的孔徑減小，水凝膠的表面變得更疏水。水的接觸角從26℃時的77.4°變化到10℃時的92.9°。在36°C時，水接觸角從26℃時的77.4°增加到102.1°（圖2b）。水凝膠網絡塌陷，進而有效地散射和阻擋全光譜的陽光。這也是PNA智能窗實現高效太陽能調節的基礎。為了探究PNA水凝膠的相變溫度和結構穩定性，團隊采用了差示掃描量熱法（DSC）和流變測試等技術進行分析，不僅驗證了水凝膠的PNA水凝膠的LCST與PNIPAm的相變溫度基本相同約為33.1°C（圖2c），也為其不同溫度下光調節機制提供了依據。
圖2.溫度介導氫鍵的機理分析及光調節機制
雙響應可調光透過區間
為了動態地滿足不同地區的溫度需求和居住者的個性化喜好，團隊通過在水凝膠制備過程中，調節AAm與AA的摩爾比、NIPAm濃度、與NIPAm原位自由基共聚的AAm的含量來獨立調節智能窗的雙向響應溫度Tp和LCST，從而調節光的透射區間。
圖3. 具有雙響應可調透光區間的PNA智能窗
PNA智能窗的光學和熱學性質
研究團隊設計的PNA智能窗在22-26°C的人體舒適的溫度范圍內，具有很高的透明度（在550 nm處超過65%）。對溫度也具有快速響應的能力，在36℃下，透射率發生突變，并在20 s內逐漸穩定下來。在10℃的低溫下，透過率也在50 s內發生變化，并逐漸穩定下來（圖4b）。由于PNA具有特殊的雙向溫度響應特性，在10至36°C的PNA智能窗上的相應光譜研究記錄了全光譜透射率。在溫度較低的夜間時，PNA智能窗在可見光區的透光率顯著下降至0.8%，有效保護住戶隱私。但當溫度升高到36℃時，PNA智能窗的透光率顯著降低，ΔTsol=69.5%（圖4c）。水凝膠完全不透明并阻擋陽光（280-2500 nm）。有助于促進室內溫度的冷卻，降低建筑能耗。通過循環試驗表明，PNA智能窗口具有可靠的可逆性和循環穩定性（圖4h）。
圖4.PNA智能窗的光學和熱學性質
PNA智能窗的節能性能
模擬室內試驗表明，PNA智能窗具有顯著的透光率和太陽能調節功能，在室內溫度調節和節能方面具有巨大的前景。研究團隊將PNA智能窗安裝在模型屋中研究室內溫度變化，并安裝具有相同厚度的空氣夾層窗戶，水夾層窗戶作為對照。在實驗室模擬測試中，在100 mW/cm-2氙燈光源下，相較于空氣夾層窗戶，PNA智能窗戶使室溫下降了6.4°C，較水夾層窗戶，使室溫下降了3.8°C（圖5a）。為了驗證智能窗在實際環境條件下的有效性，設計了戶外模擬測試，與空氣夾層窗戶和水夾層窗戶相比，室溫分別降低了14.8℃和14.2℃（圖5d）。說明使用PNA智能窗可以顯著降低空調能耗，具備優異的室內溫度調節和節能性能。多次氙燈加熱和自然冷卻試驗表明PNA智能窗具有相對穩定的阻光能力和室溫調節性能（圖5e）。
圖5.PNA智能窗節能測試
總結：這項工作實現智能窗戶在節能和隱私保護的雙向應用。雙向響應溫度可以獨立調節，進而產生與人體的舒適溫度區域相匹配的透光區間，以適應各種氣候條件或住戶偏好，可能為未來建筑節能和隱私保護開辟新的途徑。
上述工作得到了國家重點研發計劃(2022YFB3804905)和國家自然科學基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046)等項目的大力支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413102
作者介紹
賴躍坤，福州大學教授\博導，，英國皇家化學會會士FRSC。2018-2023連續入選科睿唯安“全球高被引科學家”(材料學科和交叉學科領域)，國家科技創新領軍人才，福建省“閩江學者”特聘教授，省“杰出青年”基金、“百人計劃”項目獲得者。長期從事多相分離與過濾純化、環境與能源化工催化、仿生表界面特殊浸潤性膜層開發等方面研究。發表國內外知名期刊上合作發表SCI論文200多篇, SCI論文引用23000余次，h-index為87。申報發明專利50余項，包括10項PCT國際專利，已授權美國專利1項和中國發明專利20余項。擔任國際化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor, Polymers期刊專題主編(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化學學報, Nanomaterials和Scientific Reports等期刊編委。
黃劍瑩，福州大學教授，博士生導師。致力于功能性紡織纖維材料、油水分離材料、浸潤性仿生材料及其多相過濾分離應用研究，主持參與科研項目10余項。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊發表論文150余篇，ESI高被引論文20余篇，論文引用15000余次；入選2019-2022年全球高被引科學家榜單、福建省高層次創新創業人才（B類）、泉州市高層次創新創業人才（第二層次）等。
