科學(xué)家研發(fā)智能節(jié)能窗新材料，讓建筑更智能，更節(jié)能！

出品：科普中國(guó)

作者：石霧遙（生物學(xué)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為了解前沿科技動(dòng)態(tài)，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂(lè)趣。

隨著全球氣候變暖越來(lái)越明顯，節(jié)能減排變得越來(lái)越重要。而在節(jié)能減排中，窗戶(hù)其實(shí)也扮演了一個(gè)關(guān)鍵角色：夏天烈日產(chǎn)生的強(qiáng)太陽(yáng)能輻射會(huì)透過(guò)窗玻璃使室內(nèi)的溫度升高，冬季室內(nèi)的熱量可以通過(guò)窗玻璃釋放到外界。通過(guò)窗損失的能量可以達(dá)到整個(gè)建筑物能耗的一半。因此很多科學(xué)家將目光放在了窗戶(hù)之上。

窗戶(hù)是現(xiàn)代建筑物的重要組成部分

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

2024年5月14日，我國(guó)科學(xué)家在《自然·可持續(xù)性》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于研制智能節(jié)能窗的文章，宣布研制出可以有效降低建筑能耗的電致變色窗。

研究成果發(fā)表于《自然可持續(xù)性》雜志

（圖片來(lái)源：《自然可持續(xù)性》雜志）

智能窗的原理

根據(jù)電磁輻射譜的不同，太陽(yáng)光可以分為可見(jiàn)光、紫外光、紅外光等多種波長(zhǎng)范圍的輻射。在日常生活中，可見(jiàn)光是人眼可以感知的部分，可用于室內(nèi)的照明。太陽(yáng)輻射中接近一半的能量位于紅外線范圍內(nèi)，紅外光部分可用于加熱物體。

太陽(yáng)光頻譜，其中紅外光處于微波和可見(jiàn)光頻率之間

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了一種能夠有效降低建筑能耗的電致變色窗。這種窗戶(hù)可以根據(jù)室內(nèi)外溫度或太陽(yáng)輻射等環(huán)境變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)可見(jiàn)光、近紅外光和中紅外光的傳輸和反射特性——換句話說(shuō)，窗戶(hù)能智能調(diào)整自身的透光性和反射率，從而控制進(jìn)入室內(nèi)的光線和熱量，最終提高建筑的能源效率。

為了避免室內(nèi)外環(huán)境之間的熱交換，研究者將窗設(shè)計(jì)成室內(nèi)側(cè)為具有低輻射率ITO/聚乙烯（PE）基板，此材料能反射大部分外部熱輻射，減少其對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。同時(shí)，室外側(cè)為具有高輻射率石英基板，此材料能夠高效地發(fā)射和吸收輻射，因此可以有效的將室內(nèi)的熱輻射發(fā)射到外部環(huán)境中，從而無(wú)需借助空調(diào)等外界設(shè)備降低室內(nèi)的溫度。

同時(shí)，窗內(nèi)部含有鋰離子（Li?）和氧化釩/氧化鎢（VO2/WO3）材料。氧化釩和氧化鎢作為過(guò)渡金屬氧化物，它們能夠在電場(chǎng)的作用下發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)。通過(guò)施加不同的外加電壓，Li?能夠分別擴(kuò)散至VO?和WO?層，并結(jié)合形成不同的化學(xué)物質(zhì)。

進(jìn)入VO?層的Li?可以經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成四方相LixVO2，它具有金屬相的特性，折射率快速升高，導(dǎo)致近紅外光透過(guò)率的劇烈變化。而Li?進(jìn)入WO?層形成的LiyWO3由于鎢離子的還原表現(xiàn)出對(duì)可見(jiàn)光和紅外部分的吸收，導(dǎo)致透過(guò)率快速下降。因此，這兩種材料的結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、多樣化的顏色變化效果。

智能窗設(shè)計(jì)原理圖（a.智能窗設(shè)計(jì)概念；b.裝置原理圖；c. 加熱后檢測(cè)樣品表面溫度實(shí)驗(yàn)圖；d. 加熱后不同材料表面溫度實(shí)驗(yàn)圖；e.器件在明亮加熱、明亮冷卻和黑暗狀態(tài)下的透射光譜和內(nèi)外面的中紅外發(fā)射率）

（圖片來(lái)源：《自然可持續(xù)性》雜志）

在寒冷的冬天里，外界的低溫會(huì)激活材料的亮加熱狀態(tài)——窗戶(hù)在這種狀態(tài)下會(huì)變得更透明——以促進(jìn)近紅外和可見(jiàn)光的進(jìn)入。相反，在炎熱的夏天，則會(huì)啟動(dòng)材料的亮冷和暗狀態(tài)，其中亮冷是指窗戶(hù)在這種狀態(tài)下也保持透明，但主要作用是允許可見(jiàn)光進(jìn)入，同時(shí)減少近紅外光（熱量）的進(jìn)入；而暗狀態(tài)則是指窗戶(hù)在這種狀態(tài)下會(huì)變得不透明或半透明，以減少可見(jiàn)光和近紅外光的進(jìn)入。

因此，這種窗戶(hù)可以在供暖和制冷方面節(jié)省大量能源，使其成為全球各種氣候條件下窗戶(hù)的可持續(xù)選擇。研究者利用研制的新型智能窗在戶(hù)外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的窗相比，新型電致變色結(jié)構(gòu)的窗戶(hù)可實(shí)現(xiàn)全天持續(xù)冷卻，最高溫度降幅可達(dá)14℃。

戶(hù)外節(jié)能性能測(cè)試（a. 在中國(guó)三亞一所房子的陽(yáng)臺(tái)上進(jìn)行的測(cè)量裝置；b.環(huán)境溫度和實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻照度；c.環(huán)境與實(shí)驗(yàn)窗之間的溫度差）

（圖片來(lái)源：《自然可持續(xù)性》雜志）

還有哪些利于節(jié)能減排的建筑材料?

進(jìn)入近現(xiàn)代以來(lái)，工程師們就在建筑物中廣泛使用各自保溫隔熱材料，用于建筑物的冬季保暖和夏季隔熱，它們其實(shí)也能降低能源消耗。這些材料包括礦物棉、巖棉、玻璃棉、泡沫塑料及多孔聚合物、膨脹珍珠巖及其制品、硅酸鈣絕熱制品和各種復(fù)合保溫隔熱材料等。

此外，工程師們這些年來(lái)還在使用各種新型材料，其中包括：

1.硅酸鹽復(fù)合絕熱砂漿

這是一種新型墻體保溫材料，以精選海泡石、硅酸鋁纖維為主原料，經(jīng)多種工藝深度復(fù)合而成。其顯著特點(diǎn)是保溫隔熱性能好，施工簡(jiǎn)便（直接涂抹），且解決了板材拼接處罩面層開(kāi)裂的問(wèn)題。

2.水泥聚苯板

由聚苯乙烯泡沫塑料下腳料或廢聚苯乙烯泡沫塑料制成，加水泥、水、起泡劑和穩(wěn)泡劑等材料攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而成。具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、保溫隔熱性能好、有一定強(qiáng)度和韌性、耐水、難燃、施工方便、粘貼牢固、便于抹灰、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)。

磚墻

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

3.“變色龍”建材

科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種可以自由變溫的智能化“變色龍”建材。這種材料內(nèi)部含有可以在固體液體兩種構(gòu)象間自由轉(zhuǎn)換的層，分別是可以保留紅外能量使溫度升高的固體銅和發(fā)射紅外線使溫度降低的電解質(zhì)水溶液。因此，外界溫度變化時(shí)，材料內(nèi)部便可發(fā)生化學(xué)變化，從而改變材料對(duì)于紅外熱輻射的發(fā)射率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)，可以極大地節(jié)省取暖的能耗。

“變色龍”建材示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

隨著科技的進(jìn)步和人們環(huán)保意識(shí)的提高，節(jié)能減排建筑材料將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展前景。我們期待更多創(chuàng)新材料和技術(shù)涌現(xiàn)，為建筑行業(yè)帶來(lái)更多可能性。同時(shí)，我們每個(gè)人也要積極的參與到這個(gè)行動(dòng)中來(lái)，為節(jié)能減排做出自己的一份貢獻(xiàn)！

參考文獻(xiàn)：

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