随着全球人口的增长和经济的发展，大量的能源消耗和碳排放总量的不断增加给环境带来了巨大的压力。到2022年，建筑约占全球能源消耗的34%，占能源相关二氧化碳排放量的37%。窗户被认为是建筑物中最不节能的部分。热致变色窗是一种根据温度变化动态调节太阳透过率的窗户，被认为是一种很有前途的建筑节能装置。热致变色窗一般都对特定的温度有反应，在炎热的中午变得不透明，在夜间温度较低时变得透明，这可能会引起隐私问题。同时智能窗固定的工作温度，也限制了各种气候环境下的使用和用户的个人的偏好。
近期，福州大学化工学院赖跃坤教授团队通过预先引发单体丙烯酰胺（AAm）和丙烯酸（AA）合成P(AAm-co-AA)，实现了低温响应。然后，将N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）和AAm引入到P(AAm-co-AA)中，原位合成PNA凝胶。开发了一种具有Tlum=84.4%、ΔTsol=69.5%的双向响应温度(冷、热)及透光区间可调的智能窗。这类材料能在炎热天气阻挡红外光，而在晚上时会变得不透明从而保护居住者隐私。此外，水凝胶的最高临界溶解温度（Tp）和最低临界溶解温度（LCST）以及两个温度之间的透光区间可以灵活调整，以适应不同的气候和用户的个性化需求。该研究以题为“Bidirectional Temperature-Responsive Thermochromic Hydrogels with Adjustable Light Transmission Interval for Smart Windows“的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
双向温度响应智能窗
在P(AAm-co-AA)的基础上，团队引入了NIPAm、AAm，通过原位聚合形成了具有温度响应性的P(AAm-co-AA)/NIPAm/AAm 水凝胶（PNA）。这种水凝胶在不同温度下表现出独特的光散射效应，如图1a所示，PNA水凝胶在26°C时展现出84.4%的高透光率，保证了室内充足的自然光照，同时对采暖负荷的影响降至最低。当环境温度下降至10°C时，PNA水凝胶的透光率急剧下降至0.8%，保护了居住者隐私。相反，在36°C的高温环境下，PNA水凝胶能有效阻挡可见光及近红外光，减少室内温度的上升。通过图1b的微观结构表征，研究团队揭示了PNA水凝胶在不同温度下的内部结构变化。在低温时，水凝胶的网络结构紧密，呈现出不透明的特性；而在26°C时，网络结构变得疏松，允许光线通过，赋予材料以高透明度；当温度升高至36°C时，水凝胶孔隙的减小和网络的致密化导致了显著的光散射，使窗户变得不透明。为了确保PNA水凝胶的化学成分和结构稳定性，团队采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术进行分析，不仅验证了水凝胶的化学组成，也为其在实际应用中的可靠性提供了科学依据。
图1.智能窗的制备及表征
温度介导的氢键相互作用和光调节机制
研究团队深入探讨了不同温度下PNA水凝胶相分离过程中的氢键相互作用及其光调节机制。研究发现，水凝胶透明度降低，对应的孔径减小，水凝胶的表面变得更疏水。水的接触角从26℃时的77.4°变化到10℃时的92.9°。在36°C时，水接触角从26℃时的77.4°增加到102.1°（图2b）。水凝胶网络塌陷，进而有效地散射和阻挡全光谱的阳光。这也是PNA智能窗实现高效太阳能调节的基础。为了探究PNA水凝胶的相变温度和结构稳定性，团队采用了差示扫描量热法（DSC）和流变测试等技术进行分析，不仅验证了水凝胶的PNA水凝胶的LCST与PNIPAm的相变温度基本相同约为33.1°C（图2c），也为其不同温度下光调节机制提供了依据。
图2.温度介导氢键的机理分析及光调节机制
双响应可调光透过区间
为了动态地满足不同地区的温度需求和居住者的个性化喜好，团队通过在水凝胶制备过程中，调节AAm与AA的摩尔比、NIPAm浓度、与NIPAm原位自由基共聚的AAm的含量来独立调节智能窗的双向响应温度Tp和LCST，从而调节光的透射区间。
图3. 具有双响应可调透光区间的PNA智能窗
PNA智能窗的光学和热学性质
研究团队设计的PNA智能窗在22-26°C的人体舒适的温度范围内，具有很高的透明度（在550 nm处超过65%）。对温度也具有快速响应的能力，在36℃下，透射率发生突变，并在20 s内逐渐稳定下来。在10℃的低温下，透过率也在50 s内发生变化，并逐渐稳定下来（图4b）。由于PNA具有特殊的双向温度响应特性，在10至36°C的PNA智能窗上的相应光谱研究记录了全光谱透射率。在温度较低的夜间时，PNA智能窗在可见光区的透光率显著下降至0.8%，有效保护住户隐私。但当温度升高到36℃时，PNA智能窗的透光率显著降低，ΔTsol=69.5%（图4c）。水凝胶完全不透明并阻挡阳光（280-2500 nm）。有助于促进室内温度的冷却，降低建筑能耗。通过循环试验表明，PNA智能窗口具有可靠的可逆性和循环稳定性（图4h）。
图4.PNA智能窗的光学和热学性质
PNA智能窗的节能性能
模拟室内试验表明，PNA智能窗具有显著的透光率和太阳能调节功能，在室内温度调节和节能方面具有巨大的前景。研究团队将PNA智能窗安装在模型屋中研究室内温度变化，并安装具有相同厚度的空气夹层窗户，水夹层窗户作为对照。在实验室模拟测试中，在100 mW/cm-2氙灯光源下，相较于空气夹层窗户，PNA智能窗户使室温下降了6.4°C，较水夹层窗户，使室温下降了3.8°C（图5a）。为了验证智能窗在实际环境条件下的有效性，设计了户外模拟测试，与空气夹层窗户和水夹层窗户相比，室温分别降低了14.8℃和14.2℃（图5d）。说明使用PNA智能窗可以显著降低空调能耗，具备优异的室内温度调节和节能性能。多次氙灯加热和自然冷却试验表明PNA智能窗具有相对稳定的阻光能力和室温调节性能（图5e）。
图5.PNA智能窗节能测试
总结：这项工作实现智能窗户在节能和隐私保护的双向应用。双向响应温度可以独立调节，进而产生与人体的舒适温度区域相匹配的透光区间，以适应各种气候条件或住户偏好，可能为未来建筑节能和隐私保护开辟新的途径。
上述工作得到了国家重点研发计划(2022YFB3804905)和国家自然科学基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046)等项目的大力支持。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413102
作者介绍
赖跃坤，福州大学教授\博导，，英国皇家化学会会士FRSC。2018-2023连续入选科睿唯安“全球高被引科学家”(材料学科和交叉学科领域)，国家科技创新领军人才，福建省“闽江学者”特聘教授，省“杰出青年”基金、“百人计划”项目获得者。长期从事多相分离与过滤纯化、环境与能源化工催化、仿生表界面特殊浸润性膜层开发等方面研究。发表国内外知名期刊上合作发表SCI论文200多篇, SCI论文引用23000余次，h-index为87。申报发明专利50余项，包括10项PCT国际专利，已授权美国专利1项和中国发明专利20余项。担任国际化工主流期刊Chemical Engineering Journal期刊Editor, Polymers期刊专题主编(Section Editor-in-Chief),以及Green Energy & Environment, Advanced Fiber Materials, 物理化学学报, Nanomaterials和Scientific Reports等期刊编委。
黄剑莹，福州大学教授，博士生导师。致力于功能性纺织纤维材料、油水分离材料、浸润性仿生材料及其多相过滤分离应用研究，主持参与科研项目10余项。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊发表论文150余篇，ESI高被引论文20余篇，论文引用15000余次；入选2019-2022年全球高被引科学家榜单、福建省高层次创新创业人才（B类）、泉州市高层次创新创业人才（第二层次）等。
