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  住宅和商業(yè)建筑的照明與室內溫度調節(jié)消耗了全球約40%的能源，遠超過工業(yè)和交通領域的能耗。玻璃因其高透光性被廣泛應用于現(xiàn)代建筑設計中，以減少人工照明需求。然而，減少照明帶來的節(jié)能效果可能被空調能耗的增加所抵消。此外，傳統(tǒng)玻璃的透明性還可能引發(fā)眩光、光污染和隱私問題。現(xiàn)有的動態(tài)調光材料更多依賴電能或復雜觸發(fā)機制，制造過程復雜且環(huán)境兼容性不足，亟需開發(fā)無需外部能源、可自動響應環(huán)境變化的綠色材料。

  近期，不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授團隊提出一種基于纖維素納米纖維（CNF）和聚乙烯醇-甘油（PVA-glycerol）雙層結構的濕度響應型智能調光薄膜，通過利用CNF層與PVA-甘油層在模量和溶脹行為上的濕度響應差異，實現(xiàn)了薄膜表面形貌的可逆調控（圖1）：在干燥狀態(tài)下形成光學散射褶皺結構（強光散射與隱私保護），在濕潤狀態(tài)下恢復平整表面（高透光性與視野清晰）。這種獨特的動態(tài)光調控特性使其在炎熱晴天可使室內溫度降低達8.4 °C，同時能保證陰雨天氣的充足采光。通過建筑能耗模擬分析，研究團隊證實該薄膜在美國邁阿密地區(qū)的中型辦公建筑應用中，可實現(xiàn)年節(jié)能7.0 MJ/m²的顯著效果。

  該工作以“Dynamically Adaptive Wrinkle-Structured Light-Regulating Films for Energy-Efficient Buildings”為題發(fā)表于期刊《Advanced Functional Materials》。文章第一作者是不列顛哥倫比亞大學朱嘉瑩博士以及朱朋輝博士后研究員，通訊作者為朱朋輝博士和姜鋒教授。本研究得到了美國密歇根州立大學趙新朋教授的共同參與以及節(jié)能模擬技術支持。

圖1. 光調節(jié)薄膜的光學特性。（a）天氣自適應智能窗戶示意圖。照片顯示（b）玻璃的眩光效應與（c）光調節(jié)薄膜的防眩光效果；（d）高濕度下玻璃與薄膜透明度對比；（e,f）干燥狀態(tài)下覆蓋玻璃與薄膜的模型屋的隱私保護效果。

  薄膜的制備流程如圖2a所示：首先將CNF懸浮液澆鑄至模具中干燥成型，隨后在其表面涂覆PVA-甘油溶液，經二次干燥后剝離得到初始透明薄膜。通過后續(xù)濕度處理釋放內應力，利用CNF層與PVA-甘油層吸濕溶脹行為的差異，在干燥過程中由于CNF層更快的收縮速率，在PVA-甘油層界面處產生壓縮應力。當應力超過臨界閾值時，薄膜表面發(fā)生屈曲變形，形成具有約4.5 μm特征波長的主褶皺結構（圖2b）和納米尺度的次級粗糙形貌（圖2c）。值得注意的是，基于CNF與PVA分子間豐富的氫鍵作用以及溶液加工過程中的相互擴散滲透，雙層界面展現(xiàn)出優(yōu)異的結合強度，未觀察到明顯分層現(xiàn)象（圖2d）。此外，該薄膜制備工藝具有良好的可擴展性（圖2e）。光學性能測試結果顯示其具有顯著的可逆光調控特性：在干燥狀態(tài)下透光率僅為20%，遠低于CNF薄膜和PVA-甘油薄膜（圖2f），而在高濕度環(huán)境中可提升至80%以上，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（圖2g）和快速響應（圖2h）。

圖2. 薄膜制備、形貌與光學性能。（a）制備流程示意圖；（b,c）褶皺表面低倍與高倍SEM圖；（d）薄膜截面SEM圖；（e）可規(guī)模化制備的光調控薄膜實物展示；（f）干燥狀態(tài)下，CNF薄膜、PVA-甘油薄膜及光調節(jié)薄膜透光率對比；（g）34次干/濕循環(huán)透光率變化；（h）干燥過程中激光衍射圖樣。

  圖3系統(tǒng)揭示了褶皺結構的形成機制及性能調控策略。圖3a與3b顯示，CNF層脫水速率快，PVA-甘油層則吸濕能力強、干燥緩慢。兩層間的溶脹-收縮差異在干燥過程中引發(fā)界面壓縮應力，超過臨界值后誘導表面屈曲，形成褶皺結構，其特征可通過應力標記加以佐證（圖3c）。透光率測試進一步驗證了濕度誘導下的光學變化（圖3d）：在97% RH時透光率約為80%，下降至33% RH以下時驟降至20%，表明褶皺結構在該濕度范圍內形成并趨于穩(wěn)定。結合力學測試（圖3e），CNF層的楊氏模量隨濕度降低由3.5 GPa升至8.6 GPa，而PVA-甘油層變化不顯著，說明CNF層主導了褶皺應力的建立。為探究褶皺消失機制，研究采用QCM-D技術分析兩層膜的粘彈行為。結果顯示，CNF層在RH > 53%時耗散能顯著增加（圖3f），表明其吸濕塑化，變得柔軟，從而釋放界面應力并促使褶皺逐步消退；而PVA-甘油層在11-75 RH%范圍內未表現(xiàn)出顯著變化，保持剛性。此外，通過調控CNF含量（圖3g）與甘油比例（圖3h），進一步優(yōu)化了光學響應性能。研究確定CNF質量分數(shù)為10 wt%、甘油添加量為PVA質量的100%（圖3i）為最優(yōu)配比，兼具良好的光調控能力與結構穩(wěn)定性。

圖3. 光調控薄膜的褶皺形成/消失機制及性能優(yōu)化。（a）CNF薄膜與PVA-甘油薄膜在空氣中的水分蒸發(fā)曲線；（b）CNF薄膜與PVA-甘油薄膜在不同相對濕度條件下的DVS曲線；（c）光調控薄膜表面應力痕跡的SEM圖；（d）光調控薄膜在不同相對濕度條件下的透光率變化；（e）PVA-甘油薄膜與CNF薄膜在不同濕度下的楊氏模量；（f）PVA-甘油薄膜與CNF薄膜隨時間變化的耗散能；（g）不同CNF含量下光調控薄膜的透光率；（h）不同甘油含量PVA-甘油薄膜的楊氏模量；（i）不同甘油含量下光調控薄膜的透光率。

  通過積分球系統(tǒng)對光調節(jié)薄膜的光學性能進行了系統(tǒng)表征。測試結果顯示，在干燥狀態(tài)下薄膜可散射75%的入射光，展現(xiàn)出優(yōu)異的柔光效果（圖4a,b）。建筑模型應用實驗表明，薄膜覆蓋的空間內光照分布更加均勻（圖4c,d）。溫度調控測試中，薄膜通過選擇性降低近紅外透射率（圖4f）和高效散射太陽輻射，在2小時內使模型內部溫度較普通玻璃降低3.1 °C（圖4e）。

圖4. 光管理與制冷性能。（a）積分球測試的透/反射圖譜；（b）550 nm處透光率對比；（c,d）模型屋內光分布模擬；（e）不同覆材下的升溫曲線；（f）300-2500 nm波段透光率對比。

  戶外實測進一步驗證了薄膜的動態(tài)響應特性：其能根據(jù)環(huán)境變化智能調節(jié)透光（圖5a），在夏季可通過對室內光照強度的調控，使室內溫度顯著降低8.4 °C（圖5b,c），實現(xiàn)光熱協(xié)同管理。基于EnergyPlus的能耗模擬分析顯示，該薄膜在炎熱氣候區(qū)具備顯著的節(jié)能優(yōu)勢（圖5e）。以美國邁阿密市中型辦公樓為例，預計其年節(jié)能效益可達到7.0 MJ/m²（圖5d）。

圖5. 實際應用展示。（a）晴雨天模型屋內采光對比；（b）實際屋內光強度；（c）實際溫度監(jiān)測；（d）美國15個主要城市中型辦公建筑的節(jié)能模擬；（e）全美氣候區(qū)節(jié)能分部。

  該研究以生物基材料制備濕度響應光調節(jié)薄膜，可實現(xiàn)零能耗的智能光熱調節(jié)，為綠色建筑節(jié)能提供可持續(xù)解決方案。其可擴展性、快速響應以及長期穩(wěn)定性等優(yōu)點，有望推動下一代環(huán)境可持續(xù)性的智能窗戶的發(fā)展，助力全球節(jié)能減排。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510262

作者簡介：

  朱朋輝，2021年博士畢業(yè)于華南理工大學，現(xiàn)任加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）木材科學系Mitacs Accelerate博士后研究員。主要從事纖維素基材料的濕敏響應機制與功能化應用研究。其研究圍繞纖維素與水的相互作用機制，聚焦?jié)穸闰寗酉碌慕Y構-性能調控，探索材料在智能光/熱/水響應中的應用潛力；同時致力于推動微/納米纖維素在功能織物、綠色包裝與建筑節(jié)能等領域的高值化利用。迄今已發(fā)表論文超過40篇，包括以第一/共同第一和通訊作者身份在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Small、Nano Letters（2）等期刊發(fā)表論文15篇，其中包括ESI高被引論文2篇，期刊封面論文1篇，H指數(shù)24，總引用次數(shù)2374。參編學術專著1部，申請PCT國際發(fā)明專利1項，授權中國發(fā)明專利5項（已轉讓2 項）。多次（受邀）在國際學術會議做口頭報告，并擔任多個學術期刊審稿人。2024年，在聯(lián)合國森林論壇期間，榮獲加拿大林產品協(xié)會Chisholm林業(yè)創(chuàng)新獎（加拿大每年僅評選兩人，首位中國人獲獎者），相關信息被超過50家新聞媒體轉載報道，并榮獲加拿大溫哥華市長賀信表彰。2025年，榮獲國際林業(yè)和造紙協(xié)會Blue Sky創(chuàng)新獎（全球每兩年僅評選三人，首位中國人獲獎者）。

  趙新朋，密歇根州立大學機械工程系助理教授。以第一作者（含共一）/通訊作者在包括Science、Nature、Nature Sustainability、Nature Communications、Science Advances等頂級綜合性期刊上發(fā)表論文50余篇，累積引用次數(shù)超過8000次，相關研究成果多次被“Nature”、“Science”、“Phys.org”、“MRS Bulletin”、“New Scientist”、“Physics World”、“Science Daily”等知名媒體報道。同時，擁有多項美國專利。曾獲2019年科羅拉多大學Summer Fellowship、2020年教育部優(yōu)秀自費留學生獎，并于2024年入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”全球榜單。

  姜鋒，加拿大不列顛哥倫比亞大學木材科學系副教授，加拿大可持續(xù)功能性生物質材料研究主席(Canada Research Chair)。在國際上獲得多項獎項，其中包括，2021年美國化學年會纖維素與可再生材料分會KINGFA 青年學者獎，2022年Paper360° TOP 50 POWER LIST，2023年UBC林學院杰出科研獎，2023年美國紙漿與造紙工業(yè)技術協(xié)會納米技術分會中年學者獎，以及2024年UBC Killam Faculty Research Prize Senior Category @KillamTrusts Laureate。目前擔任Carbohydrate Polymers期刊編輯，美國化學學會纖維素分會Vice Program Chair，以及多個期刊雜志編委。主要從事生物質材料高值化轉化，研究方向涉及納米纖維素的分離與改性，超分子自組裝，氣凝膠，水凝膠，增材制造，傳感器，水處理，熱調控管理，以及電子器件制備。迄今發(fā)表論文150余篇，專利6項，總引用超過15000余次，其科研成果被300多個個加拿大以及國際媒體報道。