窗戶(hù)是太陽(yáng)光輻射能量進(jìn)入建筑室內(nèi)的主要媒介，因此安裝可以阻擋太陽(yáng)光輻射和調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的智能化窗戶(hù)對(duì)于節(jié)能建筑至關(guān)重要。

現(xiàn)有的智能窗戶(hù)主要是通過(guò)透明和不透明兩種光學(xué)狀態(tài)間的切換來(lái)調(diào)控太陽(yáng)光輻射，這一調(diào)控過(guò)程往往為了阻擋更多的太陽(yáng)光輻射而犧牲了部分可見(jiàn)光的透過(guò)，從而影響室內(nèi)采光照明。此外，有限的刺激響應(yīng)使得這些智能窗戶(hù)難以根據(jù)復(fù)雜的天氣變化和個(gè)體喜好來(lái)動(dòng)態(tài)或選擇性的調(diào)控太陽(yáng)光輻射。因此，開(kāi)發(fā)能夠選擇性阻擋太陽(yáng)輻射以應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境變化的智能窗戶(hù)具有重要研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

近日，南方科技大學(xué)創(chuàng)新材料研究院、材料科學(xué)與工程系、化學(xué)系講席教授俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于一維功能納米基元組裝體的智能窗戶(hù)制備新策略，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波段太陽(yáng)光輻射的動(dòng)態(tài)調(diào)控，相關(guān)論文以“Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation”為題發(fā)表在Nature Communications上。

圖1. 智能窗戶(hù)的構(gòu)筑和調(diào)制機(jī)理示意圖。a.基于一維電致變色W18O49納米線(xiàn)、導(dǎo)電Ag納米線(xiàn)和Au納米棒共組裝的選擇性光吸收電致變色智能窗戶(hù)(SLE);b.基于不同W摻雜量的W-VO2納米線(xiàn)共組裝的寬響應(yīng)范圍熱致變色智能窗戶(hù)(WRT);c.在施加電壓或環(huán)境溫度的刺激下，智能窗戶(hù)對(duì)于太陽(yáng)光的調(diào)控和室內(nèi)溫度的控制。

利用氣-液界面協(xié)同組裝的方法，分別將電致變色、熱致變色與光譜可調(diào)的納米功能單元進(jìn)行有序共組裝，制備出可動(dòng)態(tài)調(diào)控太陽(yáng)光輻射的智能窗戶(hù)。研究人員將多尺寸的Au 納米棒混合物與電致變色W18O49納米線(xiàn)和導(dǎo)電Ag納米線(xiàn)共組裝成有序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)外部供電，智能窗戶(hù)的外觀(guān)顏色發(fā)生顯著改變。在A(yíng)u納米棒對(duì)紅外光譜選擇性吸收以及W18O49電致變色功能的協(xié)同作用下提高了窗戶(hù)對(duì)于太陽(yáng)光的阻擋性能（圖1a）。采用相同界面共組裝策略，研究人員基于不同W摻雜量W-VO2納米線(xiàn)的共組裝，制備出具有寬響應(yīng)范圍的熱致變色智能窗戶(hù)(WRT)。與單一類(lèi)型VO2納米線(xiàn)的熱致變色窗戶(hù)相比，該智能窗戶(hù)將狹窄的響應(yīng)溫度從68°C擴(kuò)展到30-50°C這一較寬的溫度范圍（圖1b）。當(dāng)智能窗戶(hù)安裝在房屋上時(shí)，它們會(huì)選擇性地阻擋太陽(yáng)輻射，并根據(jù)施加的電壓或環(huán)境溫度的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度（圖1c）。

圖2. 智能窗戶(hù)的選擇性光吸收譜。a. 不同尺寸Au納米棒的吸收譜；b.選擇光吸收-電致變色膜照片；c.電致變色膜和SLE膜在太陽(yáng)光輻照 (AM 1.5G)下的透射光譜。d. SLE膜在可見(jiàn)光區(qū)、近紅外區(qū)和整個(gè)太陽(yáng)光波段的透射光強(qiáng)度;e-g. 通過(guò)紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄模型室中心黑體的溫度來(lái)檢測(cè)智能窗戶(hù)的調(diào)溫性能。

首先，研究人員對(duì)通過(guò)上述方法制備的材料以及智能窗戶(hù)的光譜吸收特性進(jìn)行了表征（圖2）。這些Au 納米棒可以選擇性吸收760-1360 nm波段的近紅外光，不會(huì)過(guò)多影響到可見(jiàn)光的透過(guò)（圖2a）。基于不同Au納米棒組裝而成的不同薄膜表現(xiàn)出了不同紅外波段光吸收特性（圖2c, d），作為智能窗戶(hù)也表現(xiàn)出不同的隔熱降溫性能（圖2e-g）。與普通玻璃或純電致變色薄膜窗戶(hù)（未著色狀態(tài)）相比，這種具有Au納米棒的智能窗戶(hù)（SLE4）最高可以使室內(nèi)溫度降低3.7oC。

圖3. 智能窗戶(hù)中電致變色功能對(duì)太陽(yáng)光譜的動(dòng)態(tài)調(diào)控。a-c. 不同類(lèi)型薄膜（普通EC薄膜，含有Au納米棒的SLE4薄膜）的電致變色性能及其在褪色和著色狀態(tài)下的太陽(yáng)光譜透過(guò)率表征; d-f. SLE4薄膜變色前后光學(xué)照片及其用于智能窗口的隔熱降溫性能表征; g-h. SLE4膜的電致變色性能表征，包括響應(yīng)時(shí)間、機(jī)械性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

進(jìn)一步，研究人員對(duì)SLE4薄膜的電致變色性能和太陽(yáng)光譜調(diào)制性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明SLE4薄膜在A(yíng)u納米棒被動(dòng)調(diào)控太陽(yáng)光譜的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)W18O49納米線(xiàn)施加工作電壓，智能窗戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光譜透過(guò)的主動(dòng)調(diào)控，在變色后可以使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭泻隗w溫度降低4.8oC (變色前為3.7oC)。該薄膜具有良好的電致變色響應(yīng)性（著色時(shí)間4.5-6.5 s，褪色時(shí)間5-6.5 s）以及機(jī)械穩(wěn)定性（彎曲循環(huán)1000次后依然保持97%初始性能）。

圖4. 智能窗口的寬溫度響應(yīng)性。a. 摻雜不同W含量VO2納米線(xiàn)的DSC曲線(xiàn)；b-d. 含有多種W摻雜VO2納米線(xiàn)薄膜（WRT4）照片及其在不同溫度下的透過(guò)率調(diào)控性能；e-g.含有不同種類(lèi)W摻雜VO2納米線(xiàn)的熱致變色薄膜的近紅外光譜調(diào)控性能及其調(diào)溫性能；h. WRT4薄膜的熱循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。

此外，采用相同的界面組裝策略，研究人員對(duì)不同W摻雜量的熱變色W-VO2NWs進(jìn)行共組裝，開(kāi)發(fā)出寬響應(yīng)范圍熱變色智能窗（圖4），與基于單一類(lèi)型VO2的熱致變色窗戶(hù)相比，該智能窗戶(hù)將狹窄的響應(yīng)溫度從68°C擴(kuò)展到30-50°C這一較寬的溫度范圍。在這種寬響應(yīng)范圍智能窗戶(hù)中，處于熱致變色狀態(tài)下的W-VO2納米線(xiàn)數(shù)量能夠隨著環(huán)境溫度的變化而變化，從而動(dòng)態(tài)調(diào)控智能窗戶(hù)的變色性能。以WRT4為例，在低溫時(shí)其紅外光透過(guò)率接近90%，而在高溫時(shí)其紅外透過(guò)率僅為65%，同時(shí)保證可見(jiàn)光波段透過(guò)率基本不發(fā)生變化。不同類(lèi)型熱致變色薄膜可以實(shí)現(xiàn)不同的室內(nèi)溫度調(diào)控能力（在室外溫度為40oC時(shí)最高可降低室內(nèi)溫度3.5oC）。經(jīng)過(guò)1000次熱循環(huán)后，薄膜依然保持優(yōu)異的熱致變色穩(wěn)定性。

圖5.智能窗戶(hù)的實(shí)際控溫性能及節(jié)能效率的模擬。a.安裝SLE和WRT智能窗戶(hù)模型房屋的紅外圖像，插圖為安裝SLE和WRT智能窗戶(hù)模型房屋的實(shí)物照片。b-c.在實(shí)際太陽(yáng)光照射下，SLE智能窗戶(hù)和WRT智能窗戶(hù)的實(shí)際控溫效果。d. 選取利雅得為目標(biāo)城市，使用普通玻璃窗戶(hù)、SLE和WRT智能窗戶(hù)帶來(lái)的每月能量負(fù)荷。e.選取香港為目標(biāo)城市，使用普通玻璃窗戶(hù)、SLE和WRT智能窗戶(hù)帶來(lái)的每月能量負(fù)荷。f.在利雅得和香港使用普通玻璃窗戶(hù)、SLE和WRT智能窗戶(hù)帶來(lái)的全年總能量負(fù)荷。

圖5a-5c是SLE和WRT智能窗戶(hù)在實(shí)際太陽(yáng)光照射下的控溫結(jié)果。研究人員通過(guò)進(jìn)一步對(duì)建筑的功耗進(jìn)行仿真模擬，分析出在不同氣候類(lèi)型的地區(qū)中，相較于普通玻璃窗戶(hù)，SLE和WRT智能窗戶(hù)可以在炎熱的月份內(nèi)節(jié)省下更多的能源功耗。

這項(xiàng)研究提出了一種基于多組分功能納米基元的共組裝策略實(shí)現(xiàn)了可用于太陽(yáng)光譜調(diào)控智能窗戶(hù)的快速構(gòu)筑，通過(guò)調(diào)制多類(lèi)型材料的組分和結(jié)構(gòu)顯著改善窗戶(hù)的光學(xué)性能。這種共組裝策略具有操作簡(jiǎn)便且易于大規(guī)模制備的優(yōu)勢(shì)，為今后新型電致變色和熱致變色智能窗戶(hù)的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用提供新的解決方案。

南科大材料科學(xué)與工程系助理教授王金龍為論文的共同第一作者，俞書(shū)宏為通訊作者。該研究得到了南科大科研啟動(dòng)及啟動(dòng)配套經(jīng)費(fèi)、新基石科學(xué)基金會(huì)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。