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  節能智能窗對高可見光透明度和強太陽能調制能力的要求很高，但傳統的響應材料通常透明度低，太陽能透射范圍窄，在設施溫室周年生產中，夏季保持生產適宜溫度所需耗費的能源巨大。近日，江蘇省農業科學院農用新材料創新團隊和南京大學唐少春教授團隊在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發表題為“Energy-Efficient Smart Window Based on a Thermochromic Microgel with Ultrahigh Visible Transparency and Infrared Transmittance Modulation”的文章，報道了一種新型熱致變色“智能窗”材料V_1-xW_xO₂@SiO₂/PNIPAm的設計、合成及其在建筑節能方面的前瞻性應用。通過復合不同光響應波段的功能材料，利用核殼結構的摻鎢二氧化釩（V1-xWxO2@SiO2）和溫敏特性的聚N?異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）構筑了熱致變色微凝膠，從而達到拓寬玻璃光譜調控范圍的目的。

  基于這種新型熱致變色微凝膠的智能窗戶高度透明，可在低溫下透過太陽光，而當暴露在陽光下時，它會自動變為不透明以切斷太陽能增加的熱量，這兩種模式能自動可逆切換。鎢摻雜使相變溫度降低至室溫~30℃，遠低于二氧化釩的相變溫度68℃；V1-xWxO2@SiO2的固含量非常低，僅有千分之一（1.0 wt‰）的情況下，智能窗表現出超高可見光透光率（達到92.48％），變溫太陽光譜調控率達到77.20％。特別是，智能窗在白天戶外測試中表現出出色的節能效果，能夠使室內溫度實際降低15.1℃，且在100次冷熱循環后仍具有優異的服役穩定性。該工作為高性能智能控溫玻璃窗的設計和制備提供了一種新思路，在設施農業生產、建筑節能、可穿戴智能傳感以及醫療器械等領域具有巨大潛力，同時也有助于降低生產生活中的碳排放。

  建筑物與外界環境最主要的熱交換介質為玻璃，若實現了對熱量傳遞的智能調控，則能有效降低能耗約40%。目前，常用透光覆蓋材料主要有普通平板玻璃、浮法玻璃、紅外吸收玻璃、鋼化玻璃等，它們在晝夜、冷熱快速交替與四季變化的復雜自然環境中無法自發響應溫度變化（即按需調節）。由于太陽輻射是室內熱量的主要來源，其47%的能量分布在近紅外波段（750?2500 nm），若玻璃能夠自動感知周圍環境溫度并對近紅外光進行智能調控，那將有助于提升建筑物的節能降溫效果。目前報道的熱致變色型智能窗材料在應用基礎研究方面還存在諸多問題，如高于室溫的金屬?半導體相變溫度、低可見光透過率和低太陽光調節效率等。這些問題直接影響了材料的光學性能，進而對玻璃窗的節能效率產生影響。

圖1. VSP微凝膠熱變色行為的機理示意圖。VSP微凝膠層位于兩塊透明玻璃之間，形成一種"三明治"結構。將10厘米×10厘米的智能窗置于紅外燈下照射，隨著時間的延長，窗戶具有明顯的熱致變色效應，且其在500nm處的可見光透過率也隨之降低。將該智能窗材料應用于建筑窗，能有助于實現"冬暖夏涼"的舒適建筑環境。

圖2. VSP的物相結構與微觀形貌表征。VO₂經鎢摻雜得到V_0.8W_0.2O₂，其相變溫度從64.5℃降至27℃，接近體感舒適溫度。當溫度低于相變溫度時，其可見光和近紅外光呈現高透過；當溫度高于相變溫度，其對紅外光呈現高反射。

圖3. PNIPAm和VSP微凝膠粒徑與溫度的響應曲線。當溫度低于臨界相變溫度（30℃）時，體系中的粒徑增大，形成連續相，呈現各向同性，此時光譜透過率高，顯現低溫高透明狀態，從而使室內溫度升高；當溫度高于臨界相變溫度時，體系中的粒徑縮小，相互分離，與水相形成兩相，呈現各向異性，使得光線在體系中發生折射和散射，光譜透過率低，顯現高溫不透明狀態，從而阻止室內溫度上升。

圖4. 不同含量V0.8W0.2O2@SiO2的熱致變色性能。當溫度為20℃時，隨著V0.8W0.2O2含量的增加，VSP在200-2500nm特別是可見光區域，呈現透過率逐漸增加的趨勢。當升溫到40℃后，其光譜的透過率相對于20℃整體有明顯的降低。隨著V0.8W0.2O2含量的逐漸增加，材料的?Tsol呈現先增加后降低的趨勢。

圖5. 圖片展示了使用VSP填充30厘米×30厘米的大尺寸夾層玻璃中空層的過程，該裝置的制備方法簡單，易于大規模生產和制造。值得強調的是，VSP的熱致變色參數相比于目前報道的其他VO2基熱致變色薄膜性能突出。

  大尺寸的智能窗室外測試實驗，團隊成員于2020年9月8日放置于江蘇省南京市棲霞區（北緯32°7''16"，東經118°57''19"）的南京大學現代工程與應用科學學院大樓前測試完成。在室外太陽光照射下，團隊成員連續觀察智能窗的透光率隨溫度變化的遞變情況。結果顯示，VSP智能窗在清晨和中午分別顯示了透明和乳白色，具有優異的熱致變色特性。

  通過離子摻雜和乳液聚合，團隊成功獲得了一種兼具高可見光透過率和高太陽光調節效率的新型有機-無機智能窗材料，其獨特結構賦予該材料優異的節能降溫性能。同時，該制備技術具有工藝簡單、成本低、適合大規模生產等優點。與傳統節能降溫方式相比，該智能窗無需額外能耗，可自動感知周圍環境溫度實現變色和調溫，最終使室內獲得“冬暖夏涼”式的舒適環境，從而減少因制冷和采暖產生的能耗。該工作為高性能智能節能窗的設計和制備提供了一種新的思路和有效途徑。文章第一作者為張榮副研究員，通訊作者為徐磊副研究員和唐少春教授。該工作獲得了江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所夏禮如所長和東華大學管清寶副研究員的幫助和支持。

  原文鏈接：Rong Zhang et al., Energy-Efficient Smart Window Based on a Thermochromic Microgel with Ultrahigh Visible Transparency and Infrared Transmittance Modulation, Journal of Materials Chemistry A, In Press. 

  https://doi.org/10.1039/D1TA03917B

通訊作者簡介

徐磊 副研究員，江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所農用新材料團隊負責人，南京大學現代工程與應用科學學院材料系博士后，江蘇大學材料學碩士生導師。主要研究方向包括生物基材料研發與應用、智能材料與傳感器件、節能材料與應用。

唐少春 教授，南京大學教授，博士生導師，美國斯坦福大學訪問學者，南京大學海安高新技術研究院院長。主要研究方向包括：降溫/光熱薄膜材料的制備與應用、低維納米碳基功能復合材料及傳感器件、超級電容/鋰（鈉）電池材料及柔性器件、相變儲能/降溫薄膜材料及節能技術。

第一作者簡介

張榮 副研究員，現為南京大學現代工程與應用科學學院唐少春教授團隊成員，主要研究領域是聚合物基光熱功能復合材料。