夏天有救了！科学家研制出智能窗可以控制进入室内的热量！

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2024 年 5 月 14 日，我国科学家在《自然可持续性》杂志上揭橥了一篇关于研制智能节能窗的文章，宣告研制出可以有效降落建筑能耗的电致变色窗。

研究成果揭橥于《自然可持续性》杂志（图片来源：《自然可持续性》杂志）

智能窗的事理

根据电磁辐射谱的不同，太阳光可以分为可见光、紫外光、红外光等多种波长范围的辐射。
在日常生活中，可见光是人眼可以感知的部分，可用于室内的照明。
太阳辐命中靠近一半的能量位于红外线范围内，红外光部分可用于加热物体。

太阳光频谱，个中红外光处于微波和可见光频率之间（图片来源：Wikipedia）

在这项研究中，科学家们开拓出了一种能够有效降落建筑能耗的电致变色窗。
这种窗户可以根据室内外温度或太阳辐射等环境变革，自动调节对可见光、近红外光和中红外光的传输和反射特性——换句话说，窗户能智能调度自身的透光性和反射率，从而掌握进入室内的光芒和热量，终极提高建筑的能源效率。

为了避免室内外环境之间的热交流，研究者将窗设计成室内侧为具有低辐射率 ITO/聚乙烯（PE）基板，此材料能反射大部分外部热辐射，减少其对室底细况的影响。
同时，室外侧为具有高辐射率石英基板，此材料能够高效地发射和接管辐射，因此可以有效的将室内的热辐射发射到外部环境中，从而无需借助空调等外界设备降落室内的温度。

同时，窗内部含有锂离子（Li⁺）和氧化钒/氧化钨（VO2/WO3）材料。
氧化钒和氧化钨作为过渡金属氧化物，它们能够在电场的浸染下发生可逆的氧化还原反应。
通过施加不同的外加电压，Li⁺ 能够分别扩散至 VO₂ 和 WO₃ 层，并结合形身分歧的化学物质。

进入 VO₂ 层的 Li⁺ 可以经由化学反应形成四方相 LixVO2，它具有金属相的特性，折射率快速升高，导致近红外光透过率的剧烈变革。
而 Li⁺ 进入WO₃ 层形成的 LiyWO3 由于钨离子的还原表现出对可见光和红外部分的接管，导致透过率快速低落。
因此，这两种材料的结合利用，可以实现繁芜、多样化的颜色变革效果。

智能窗设计事理图（a.智能窗设计观点；b.装置事理图；c. 加热后检测样品表面温度实验图；d. 加热后不同材料表面温度实验图；e.器件在通亮加热、通亮冷却和阴郁状态下的透射光谱和内外面的中红外发射率）（图片来源：《自然可持续性》杂志）

在寒冷的冬天里，外界的低温会激活材料的亮加热状态——窗户在这种状态下会变得更透明——以促进近红外和可见光的进入。
相反，在酷热的夏天，则会启动材料的亮冷和暗状态，个中亮冷是指窗户在这种状态下也保持透明，但紧张浸染是许可可见光进入，同时减少近红外光（热量）的进入；而暗状态则是指窗户在这种状态下会变得不透明或半透明，以减少可见光和近红外光的进入。

因此，这种窗户可以在供暖和制冷方面节省大量能源，使其成为环球各种景象条件下窗户的可持续选择。
研究者利用研制的新型智能窗在户外进行实验。
结果表明，与传统的窗比较，新型电致变色构造的窗户可实现全天持续冷却，最高温度降幅可达 14℃。

户外节能性能测试（a. 在中国三亚一所屋子的阳台上进行的丈量装置；b.环境温度和实时太阳辐照度；c.环境与实验窗之间的温度差）（图片来源：《自然可持续性》杂志）

还有哪些利于节能减排的建筑材料？

进入近当代以来，工程师们就在建筑物中广泛利用各种保温隔热材料，用于建筑物的冬季保暖和夏季隔热，它们实在也能降落能源花费。
这些材料包括矿物棉、岩棉、玻璃棉、泡沫塑料及多孔聚合物、膨胀珍珠岩及其制品、硅酸钙绝热制品和各种复合保温隔热材料等。

此外，工程师们这些年来还在利用各种新型材料，个中包括：

1

硅酸盐复合绝热砂浆

这是一种新型墙体保温材料，以精选海泡石、硅酸铝纤维为主质料，经多种工艺深度复合而成。
其显著特点是保温隔热性能好，施工简便（直接涂抹），且办理了板材拼接处罩面层开裂的问题。

2

水泥聚苯板

由聚苯乙烯泡沫塑料下脚料或废聚苯乙烯泡沫塑料制成，加水泥、水、起泡剂和稳泡剂等材料搅拌、成型、养护而成。
具有质轻、导热系数小、保温隔热性能好、有一定强度和韧性、耐水、难燃、施工方便、粘贴稳定、便于抹灰、价格较低等优点。

3

“变色龙”建材

科学家设计了一种可以自由变温的智能化“变色龙”建材。
这种材料内部含有可以在固体液体两种构象间自由转换的层，分别是可以保留红外能量使温度升高的固体铜和发射红外线使温度降落的电解质水溶液。
因此，外界温度变革时，材料内部便可发生化学变革，从而改变材料对付红外热辐射的发射率来实现对温度的调节，可以极大地节省取暖和的能耗。

“变色龙”建材示意图（图片来源：参考文献2）

随着科技的进步和人们环保意识的提高，节能减排建筑材料将迎来更广阔的发展前景。
我们期待更多创新材料和技能呈现，为建筑行业带来更多可能性。
同时，我们每个人也要积极地参与到这个行动中来，为节能减排做出自己的一份贡献！

参考文献

[1]Shao, Z., Huang, A., Cao, C. et al. Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings. Nat Sustain (2024) DOI:10.1038/s41893-024-01349-z.

[2]Chenxi Sui, Jiankun Pu, Ting-Hsuan Chen, et al. Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation. Nat Sustain，6, 428–437 (2023).

[3]张国玉.新型建筑材料在培植工程中运用以及发展趋势[J].江西建材, 2015, 000(022):284-284.DOI:10.3969/j.issn.1006-2890.2015.22.257.

[4]何云富,徐刚,朱俊,等.VO2热色智能玻璃研究进展[J].微纳电子技能, 2008, 45(7):6.DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2008.07.004.

[5]张元元.热色智能玻璃VO2薄膜的制备及性能研究[D].合肥工业大学,2013.DOI:10.7666/d.D425713.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨石雾遥 生物学博士

监制丨中国科普博览

责编丨一诺

审校丨徐来、林林