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  節(jié)能是當今世界最緊迫的問題之一，已成為制約全球發(fā)展的主要因素。隨著人口和工業(yè)化進程的加快，不可再生能源的消耗急劇增加，溫室氣體的排放也加劇了氣候變化。建筑能耗占總能耗的40%，其中大部分用于空調(diào)和供暖。窗戶是建筑能耗最高的部件，其成本約占建筑能耗的60%。現(xiàn)有的建筑材料能源效率低，對外部刺激反應遲鈍。由智能材料構(gòu)成的新型窗戶能夠根據(jù)外部環(huán)境智能地改變透光率，因其有助于調(diào)節(jié)太陽輻射和建筑節(jié)能而受到廣泛關注。

  近期，天津大學趙瑾教授團隊通過酸性親水單體丙烯酸（AAc）與具有聚醚側(cè)鏈的疏水單體丙烯酸2-（2-乙氧基乙氧基）乙酯（EEEA）共聚，制備了聚（2-（2-乙氧基乙氧基）丙烯酸乙酯-丙烯酸）（PEA）水凝膠。開發(fā)了具有優(yōu)異力學性能（抗拉強度≈0.45 MPa，伸長率≈440%，韌性≈0.96 MJ m^?3），高可見光透過率T_lum（92.69%），高太陽光調(diào)制能力ΔT_sol（82.15%），快轉(zhuǎn)變速率（<4 s）和可寬泛調(diào)節(jié)τ_c（4~50 °C）的智能窗。此外，PEA水凝膠可以通過數(shù)字（DLP）光處理3D打印和簡單的水合過程獲得，可以實現(xiàn)個性化設計和溫度調(diào)節(jié)。同時，離子交聯(lián)賦予熱致變色PEA水凝膠顯著的溫度敏感性能，從而實現(xiàn)對智能窗溫度的真實的實時監(jiān)測。該研究以題為“Pure Physical-Crosslinked High-Strength Thermochromic Hydrogel for Smart Window and Energy Conservation”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

  圖1a示出了熱致變色水凝膠的合成過程。團隊采用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）驗證了PEA彈性體和水凝膠的化學結(jié)構(gòu)（圖1b），通過流變學實驗（圖1c、d）表明PEA水凝膠是一種彈性固體，同時證實了PEA水凝膠的高強度。PEA水凝膠的τ_c可以通過簡單地改變處理溫度來調(diào)節(jié)，圖1 e描述了τ_c調(diào)節(jié)過程的細節(jié)，PEA水凝膠的水含量在不同的處理溫度下是不同的，這取決于聚合物鏈與水之間的結(jié)合能，其可調(diào)性主要來源于物理交聯(lián)的鏈段重排和H₂O的排出或吸收。

圖1 水凝膠的制備及表征

圖2 熱致變色性能

圖3熱致變色機理

圖4力學性能

圖5 太陽能調(diào)制能力和可3D打印性

圖6 智能窗的實時監(jiān)測能力

  總結(jié)：這項工作制備了具有高強度、優(yōu)異的太陽光調(diào)制能力、寬范圍可調(diào)的相變溫度、快速的相變速率、可3D打印性和實時監(jiān)測能力的新型熱致變色PEA智能窗，為熱致變色智能窗提供了創(chuàng)新的材料和見解，在節(jié)約建筑能源、減少碳排放、提高建筑結(jié)構(gòu)的資源效率方面具有很大的潛力。

  天津大學材料科學與工程學院的博士研究生高煒程為本工作的第一作者，趙瑾教授和侯信教授為通訊作者。上述工作得到了國家自然科學基金(52273145)項目的大力支持。