中大新聞網訊（通訊員付俊）建筑能耗約占全球能耗的40%，而窗戶是建筑內外能量交換的主要通道。利用智能窗戶調節建筑能量交換，是實現建筑節能的重要手段。國內外科學家們已經開發了各種智能窗戶，如：熱致變色型水凝膠智能窗戶（Joule, 2019, 3, 290-302），電致變色型鈣鈦礦智能窗戶（Nat. Commun. 2021, 12, 3360），輻射制冷型二氧化釩智能窗戶（Science, 2021, 374, 1501-1504）等。研究和開發“全氣候”型智能窗戶，既能在夏季阻隔過多的陽光直射，又能在冬季降低室內熱能的輻射損失，“冬暖夏涼”，不僅有利于顯著改善建筑內的舒適性，更有利于節約能源，促進低碳經濟發展。然而，大多數智能窗戶仍受制于需要供能、工作溫度適用范圍窄、光調節能力不足等問題。因此，研究可自發調節并適應復雜多變氣候的智能窗戶具有重要的科學意義和應用價值。
中山大學材料科學與工程學院付俊教授課題組和福州大學江獻財副教授課題組合作開發了一種能夠滿足不同氣候條件需要的熱致變色水凝膠智能窗戶，通過連續調節水凝膠的相轉變溫度，實現了不同緯度地區、不同季節的室內溫度調節。聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）是著名的LCST（低臨界共溶溫度）型聚合物。當溫度升至LCST（約32.5℃）以上時，PNIPAM水凝膠會由透明態轉變為不透明態。利用這一特性，研究團隊通過引入親水性單體N, N二甲基丙烯酰胺（DMAA），與NIPAM共聚（圖1a），在32.5℃-43.5℃范圍內實現了對LCST的連續調控（圖1b）。當溫度低于其LCST時，P(NIPAM-DMAA)共聚物水凝膠透明度極高，全波段的光透過率大于91.30%（圖1c），在LCST以上溫度則不透明（圖1d）。
利用一系列P(PNIPAM-DMAA)水凝膠制作智能窗戶，實現了環境溫度響應的陽光調節：當環境溫度高于LCST時，智能窗戶變得不透明，在全波段范圍內阻隔太陽光照射（圖2a），有效地減弱了可見光和紅外熱輻射，避免室內溫度過高，調節能力可達88.84%，實現了調節能力的突破（圖2b）。
圖1 熱致變色水凝膠的合成和相轉變溫度調控
圖2 凝膠基智能窗戶的太陽光調節能力
研究團隊通過多個城市、不同季節的室內模擬測試，證實了該智能窗戶具有室內溫度調節能力和建筑節能效果。選取北京、大連、西安、上海、福州和廣州作為代表性的試點城市，跨越北緯23°N 到40°N，覆蓋了亞熱帶、溫帶、沿海、內陸等不同地理和氣候特點，從2021年12月到2022年8月，進行了為期九個月的室內模擬測試（圖3）。在北方，模擬冬季供暖條件，利用智能窗戶的熱致變色效應，有效地降低了室內熱量的輻射逃逸，表現出優異的建筑節能效果（4.04-4.30 kJ m-3）。在春季，廣州的智能窗戶可將室內溫度降低4.0℃左右，并節能5.14 kJ m-3。在夏季，隨著氣溫進一步升高，智能窗戶在所有城市均展現優異的溫度調節能力（最高可達7.3℃），其建筑節能效率可達9.51 kJ m-3。
圖3 凝膠基智能窗戶用于多地跨季節溫度調節和建筑節能。
大多數智能窗戶在工作狀態下都是不透明狀態，損失了可視化功能。該團隊提出一種平衡可視功能和太陽光調節能力的新策略，借助3D打印技術構筑了網格狀或圖案化智能窗戶，首次實現了具有可視功能和太陽光調節能力的水凝膠智能窗戶（圖4）。該策略可應用于開發具有文化特色的智能窗戶，將窗花、中國結和文創作品等文化元素與智能窗戶集成，具有廣泛的應用前景。
圖4 (a) 3D打印的圖案化水凝膠凝膠智能窗，(b)兼顧了窗戶可視化和光調節，(c)智能窗戶與窗花、中國結等文化元素結合。
該“全氣候型”智能窗戶大大地拓展了應用范圍，提升了智能窗戶應用于建筑節能的能力，為開發新一代智能窗戶提供了新的思路，對于低碳經濟發展具有重要的意義。
該項研究以“Printable Thermochromic Hydrogel-Based Smart Window for All-Weather Building Temperature Regulation in Diverse Climates”為題發表在Advanced Materials。文章的第一作者是中山大學2021級博士研究生陳國旗和福州大學2020級碩士研究生王凱，付俊教授和江獻財副教授為共同通訊作者。中山大學材料科學與工程學院為第一完成單位。中科院大連化物所博士研究生孟祥超，北京化工大學博士研究生楊家輝，清華大學山西清潔能源研究院黃杰和上海交通大學博士研究生陳忠奉為室內模擬測試提供了支持。
該工作得到了國家自然科學基金和工信部的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211716
