在“双碳”目标和建筑节能需求不断提升的背景下，窗户作为建筑围护结构中最活跃的光热交换界面，正在从传统的被动透光构件转变为可动态调控太阳辐射的功能材料平台。普通玻璃能够保证可见光进入室内，但对近红外太阳热辐射缺乏有效调控能力，容易在炎热或强日照条件下造成室内热负荷上升，进而增加空调制冷能耗。智能窗由此成为绿色建筑材料领域的重要研究方向，其核心目标是在不牺牲日常采光的前提下，根据外界环境变化自主调节可见光和近红外光的透过、反射或散射。

  近日，华南师范大学陈家文教授团队将光驱动分子马达引入聚合物稳定液晶体系中，利用其对液晶螺旋结构的动态调控作用，构建了一种兼具温度响应和光响应能力的液晶智能窗。该智能窗能够同时感知环境温度和太阳光强度，并根据外界条件在透明态、反射态和散射态之间自主切换，从而实现全天候条件下对自然采光和太阳热输入的动态管理。

  这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，论文题为“Temperature- and Light-Regulated Liquid Crystal Smart Window for Dynamic Control of Daylight and Solar Heat in All-Weather Conditions”。文章第一作者为华南师范大学、肇庆市华师大光电产业研究院博士后张洋，华南师范大学陈家文教授与荷兰格罗宁根大学Ben L. Feringa教授为此工作的共同通讯作者。

  该智能窗采用简单的夹层式结构，将液晶功能层封装在两片玻璃基板之间。体系中，液晶主体在不同温度下发生相态转变，手性分子马达和非响应型手性掺杂剂共同调控胆甾相液晶的螺旋结构，而聚合物网络则为液晶织构变化提供限域环境。当环境温度不高于28 ℃时，液晶体系处于近晶A相，分子保持有序取向，窗口呈现高透明状态，可同时透过可见光和近红外光。这一状态适用于低温或弱冷负荷环境，有利于维持室内自然采光和太阳热增益。当环境温度升高至28 ℃以上且光照较弱时，液晶体系由近晶A相转变为胆甾相液晶结构，分子马达和手性掺杂剂诱导液晶形成螺旋超结构，使窗口在近红外边缘区域产生选择性反射，在保持较高可见光透过率的同时降低部分太阳热输入。进一步地，当高温条件伴随强太阳光照时，分子马达在紫外光作用下发生构型转变和手性反转，引发胆甾相液晶由平面织构转变为焦锥织构，窗口随之进入强散射状态，实现对可见光和近红外光的同步削弱。

图1 温度和光调控液晶智能窗的工作示意图。该智能窗能够响应环境温度和太阳光强度，在三种工作状态之间实现可逆切换。

  该体系的核心在于分子马达的光响应手性调控作用。光驱动分子马达1作为手性掺杂剂，在365 nm紫外光照射下，分子马达发生光异构化，其轴手性和螺旋扭曲力随之改变，从而调控胆甾相液晶的螺距和选择性反射波段。同时，非响应型手性掺杂剂S5011 的引入进一步调节了胆甾相液晶的螺距，使体系在高温弱光条件下在近红外区域产生选择性反射。实验结果表明，当智能窗处于胆甾相时，在未受强光照射的条件下保持较高透明度，并在755 nm 处出现选择性反射峰；当紫外光强为 0.3 mW/cm2 时，反射峰发生蓝移，可见光区域维持较高透过率；当紫外光强进一步增加至 1.0 mW/cm2 时，智能窗快速转变为散射态，550 nm 处透过率由 94.2% 降至 18.5%，表现出显著的光调制能力。

图2 （a）分子马达1的化学结构及其光驱动旋转运动。（b）掺杂分子马达1的胆甾相液晶及其与S5011共掺杂体系在紫外光诱导下的螺距变化。（c）TLLC智能窗在N*相中经不同紫外光强度照射后的透过率光谱和（d）实物照片。（e-g）TLLC智能窗在不同强度紫外光照射下的偏光显微镜照片，紫外光强度分别为（e）0.0 mW/cm2、（f）0.3 mW/cm2和（g）1.0 mW/cm2。（h）TLLC智能窗的响应时间，（i）循环紫外光照射测试和（j）长时间紫外光照射测试，均通过监测其在550 nm处的透过率进行表征。

  在实际光热管理方面，TLLC智能窗表现环境自适应能力。在温度不高于28 ℃时，窗口处于透明态，可见光透过率为90.8%，近红外透过率为91.3%，有利于自然采光和太阳热输入。当温度高于28 ℃且光照较弱时，窗口仍保持较高可见光透过，同时对近红外光产生一定反射。在高温强日照条件下，窗口进入散射态，可见光透过率降至15.6%，近红外透过率降至42.0%，相对于透明态分别实现75.2%和49.3%的调制幅度。相应地，进入室内的太阳辐照强度可由753.9 W/m2降低至210.9 W/m2，表明该体系能够显著降低太阳热增益。

图3 （a-b）不同单体浓度制备的TLLC智能窗在不同强度紫外光照射下在550 nm处的透过率变化，其中（a）为SmA相，（b）为N*相。（c-f）不同单体浓度制备的TLLC智能窗中聚合物网络形貌的扫描电子显微镜照片。（g）不同天气条件下可见光和近红外光的透过情况。（h）不同天气条件下进入室内的太阳辐照度和（i）CIE色度坐标。

  为了进一步评估该智能窗的实际节能潜力，在长春、北京和广州三个不同纬度城市进行了户外隔热箱测试。在长春测试中，环境温度维持在25 ℃左右，TLLC智能窗主要处于透明态。其箱体温度与普通玻璃箱体基本一致，说明该智能窗在温和环境下不会过度阻隔太阳辐射。在北京测试中，随着环境温度升高，TLLC智能窗的箱体温度较普通玻璃平均降低约1.8 ℃。在高温和强日照更明显的广州，TLLC智能窗的降温效果更加突出，箱体内部温度平均降低约2.3 ℃，最大温差达到2.8 ℃。进一步的EnergyPlus建筑能耗模拟表明，相比普通玻璃，TLLC智能窗在中国20个城市中均表现出不同程度的暖通空调节能潜力。其中，低纬度城市由于全年温度较高、太阳辐射更强，该智能窗的节能优势更为明显，暖通空调节能值达到56.8 MJ/m2，约为高纬度地区平均值的2.6倍。这表明该类智能窗尤其适用于制冷负荷较高、强日照频繁的气候区域。

图4 （a）TLLC智能窗在中国20个不同城市中的年度HVAC节能值。（b）所制备测试装置的实物照片。（c）户外实验用隔热箱的尺寸和结构示意图。（d-f）节能测试中模拟箱内部温度变化，测试地点分别为（d）长春、（e）北京和（f）广州。（g）各城市中普通玻璃和TLLC智能窗的年度HVAC节能性能。

  综上，该工作将光驱动分子马达的手性可逆调控、液晶相变的温度响应以及聚合物网络的限域效应协同整合，实现了从分子尺度运动到宏观光热管理功能的有效转化。该智能窗能够根据环境温度和太阳光强度自主切换透明、反射和散射三种状态，在保证自然采光的同时动态调控太阳热输入。该研究不仅为液晶智能窗提供了新的设计策略，也为发展无需持续电驱动、可适应复杂天气条件的绿色建筑光热管理材料提供了重要思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.7998291

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