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用戶成就

隨著全球人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，大量的能源消耗和碳排放總量的不斷增加給環(huán)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(jié)能的部分。熱致變色窗是一種根據(jù)溫度變化動態(tài)調節(jié)太陽透過率的窗戶，被認為是一種很有前途的建筑節(jié)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(huán)境下的使用和用戶的個人的偏好。

針對上述問題，福州大學化工學院賴躍坤教授團隊借助國儀量子掃描電鏡進行了深入研究，通過預先引發(fā)單體丙烯酰胺（AAm）和丙烯酸（AA）合成P(AAm-co-AA)，實現(xiàn)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(fā)了一種具有Tlum=84.4%、ΔTsol=69.5%的雙向響應溫度(冷、熱)及透光區(qū)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(qū)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(fā)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(xiàn)出獨特的光散射效應，如圖1a所示，PNA水凝膠在26°C時展現(xiàn)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(huán)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(huán)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(wǎng)絡結構緊密，呈現(xiàn)出不透明的特性；而在26°C時，網(wǎng)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(wǎng)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(wěn)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(jù)。

圖1.智能窗的制備及表征

氫鍵相互作用和光調節(jié)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(jié)機制。研究發(fā)現(xiàn)，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(wǎng)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(xiàn)高效太陽能調節(jié)的基礎。為了探究PNA水凝膠的相變溫度和結構穩(wěn)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(jié)機制提供了依據(jù)。

圖2.溫度介導氫鍵的機理分析及光調節(jié)機制

雙響應可調光透過區(qū)間

為了動態(tài)地滿足不同地區(qū)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(jié)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(jié)智能窗的雙向響應溫度Tp和LCST，從而調節(jié)光的透射區(qū)間。

圖3. 具有雙響應可調透光區(qū)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(fā)生突變，并在20 s內逐漸穩(wěn)定下來。在10℃的低溫下，透過率也在50 s內發(fā)生變化，并逐漸穩(wěn)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(qū)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(huán)試驗表明，PNA智能窗口具有可靠的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性（圖4h）。

圖4.PNA智能窗的光學和熱學性質

PNA智能窗的節(jié)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(jié)功能，在室內溫度調節(jié)和節(jié)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(huán)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(yōu)異的室內溫度調節(jié)和節(jié)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(wěn)定的阻光能力和室溫調節(jié)性能（圖5e）。

圖5.PNA智能窗節(jié)能測試

總結

這項工作實現(xiàn)智能窗戶在節(jié)能和隱私保護的雙向應用。雙向響應溫度可以獨立調節(jié)，進而產(chǎn)生與人體的舒適溫度區(qū)域相匹配的透光區(qū)間，以適應各種氣候條件或住戶偏好，可能為未來建筑節(jié)能和隱私保護開辟新的途徑。