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  節(jié)能是當今世界最緊迫的問題之一，已成為制約全球發(fā)展的主要因素。隨著人口和工業(yè)化進程的加快，不可再生能源的消耗急劇增加，溫室氣體的排放也加劇了氣候變化。建筑能耗占總能耗的40%，其中大部分用于空調(diào)和供暖。窗戶是建筑能耗最高的部件，其成本約占建筑能耗的60%。現(xiàn)有的建筑材料能源效率低，對外部刺激反應(yīng)遲鈍。由智能材料構(gòu)成的新型窗戶能夠根據(jù)外部環(huán)境智能地改變透光率，因其有助于調(diào)節(jié)太陽輻射和建筑節(jié)能而受到廣泛關(guān)注。

  近期，天津大學(xué)趙瑾教授團隊通過酸性親水單體丙烯酸（AAc）與具有聚醚側(cè)鏈的疏水單體丙烯酸2-（2-乙氧基乙氧基）乙酯（EEEA）共聚，制備了聚（2-（2-乙氧基乙氧基）丙烯酸乙酯-丙烯酸）（PEA）水凝膠。開發(fā)了具有優(yōu)異力學(xué)性能（抗拉強度≈0.45 MPa，伸長率≈440%，韌性≈0.96 MJ m^?3），高可見光透過率T_lum（92.69%），高太陽光調(diào)制能力ΔT_sol（82.15%），快轉(zhuǎn)變速率（<4 s）和可寬泛調(diào)節(jié)τ_c（4~50 °C）的智能窗。此外，PEA水凝膠可以通過數(shù)字（DLP）光處理3D打印和簡單的水合過程獲得，可以實現(xiàn)個性化設(shè)計和溫度調(diào)節(jié)。同時，離子交聯(lián)賦予熱致變色PEA水凝膠顯著的溫度敏感性能，從而實現(xiàn)對智能窗溫度的真實的實時監(jiān)測。該研究以題為“Pure Physical-Crosslinked High-Strength Thermochromic Hydrogel for Smart Window and Energy Conservation”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

  圖1a示出了熱致變色水凝膠的合成過程。團隊采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）驗證了PEA彈性體和水凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)（圖1b），通過流變學(xué)實驗（圖1c、d）表明PEA水凝膠是一種彈性固體，同時證實了PEA水凝膠的高強度。PEA水凝膠的τ_c可以通過簡單地改變處理溫度來調(diào)節(jié)，圖1 e描述了τ_c調(diào)節(jié)過程的細節(jié)，PEA水凝膠的水含量在不同的處理溫度下是不同的，這取決于聚合物鏈與水之間的結(jié)合能，其可調(diào)性主要來源于物理交聯(lián)的鏈段重排和H₂O的排出或吸收。

圖1 水凝膠的制備及表征

圖2 熱致變色性能

圖3熱致變色機理

圖4力學(xué)性能

圖5 太陽能調(diào)制能力和可3D打印性

圖6 智能窗的實時監(jiān)測能力

  總結(jié)：這項工作制備了具有高強度、優(yōu)異的太陽光調(diào)制能力、寬范圍可調(diào)的相變溫度、快速的相變速率、可3D打印性和實時監(jiān)測能力的新型熱致變色PEA智能窗，為熱致變色智能窗提供了創(chuàng)新的材料和見解，在節(jié)約建筑能源、減少碳排放、提高建筑結(jié)構(gòu)的資源效率方面具有很大的潛力。

  天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的博士研究生高煒程為本工作的第一作者，趙瑾教授和侯信教授為通訊作者。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金(52273145)項目的大力支持。