在建筑物中，減少空調、暖氣等室內溫控設備的過度使用，是實現節能減排目標的重要途徑之一。窗戶作為太陽光輻射能量進入建筑室內的主要媒介，安裝可以阻擋太陽光輻射和調節室內溫度的智能化窗戶對于構筑節能建筑至關重要。現有的智能窗戶主要是通過透明和不透明兩種光學狀態間的切換來調控太陽光輻射，這一調控過程往往為了阻擋更多的太陽光輻射而犧牲了部分可見光的透過，從而影響室內采光照明。此外，通過有限的刺激響應使得這些智能窗戶難以根據復雜的天氣變化和個體偏好來實現動態或選擇性的調控太陽光輻射。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊提出了智能窗戶制備新策略。該策略利用氣-液界面協同組裝的方法，分別將電致變色、熱致變色與光譜可調的納米功能單元進行有序共組裝，制備出可動態調控太陽光輻射的智能窗戶，為建筑物提供了更加有效的太陽光譜調控和熱量管理窗口。相關研究成果以Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
科研人員基于一維納米材料獨特的光學性質，合成并混合不同長徑比的Au納米棒。這些Au納米棒的混合物可以選擇性吸收760-1360 nm波段的近紅外光，不會過多影響到可見光的透過，從而保證了室內的采光照明。進而，該工作將多尺寸的Au納米棒混合物與電致變色W18O49納米線和導電Ag納米線共組裝成有序的網狀結構。通過外部供電，智能窗戶的外觀顏色發生顯著改變。兩者的協同作用進一步提高窗戶對于太陽光的阻擋性能（圖1a）。采用相同的界面共組裝策略，研究人員基于不同W摻雜量的W-VO2納米線的共組裝，制備出具有寬響應范圍的熱致變色智能窗戶(WRT)。與單一類型VO2納米線的熱致變色窗戶相比，該智能窗戶將狹窄的響應溫度從68°C擴展到30-50°C這一較寬的溫度范圍。在這種寬響應范圍智能窗戶中，處于熱致變色狀態下的W-VO2納米線數量能夠隨著環境溫度的變化而變化，從而動態調控智能窗戶的變色性能（圖1b）。當智能窗戶安裝在房屋上時，它們會選擇性地阻擋太陽輻射，并根據施加的電壓或環境溫度的變化動態調節室內溫度（圖1c）。
圖1 智能窗戶的構筑和調制機理示意圖。a. 基于一維電致變色W18O49納米線、導電Ag納米線和Au納米棒共組裝的選擇性光吸收電致變色智能窗戶（SLE）；b. 基于不同W摻雜量的W-VO2納米線共組裝的寬響應范圍的熱致變色智能窗戶（WRT）；c. 在施加電壓或環境溫度的刺激下，智能窗戶對于太陽光的調控和室內溫度的控制。
此外，圖2a-2c是SLE和WRT智能窗戶在實際太陽光照射下的控溫結果。研究人員與熱科學與能源工程系特任副研究員趙斌和教授裴剛等合作，進一步對建筑的功耗進行仿真模擬，分析出在不同氣候類型的地區中，相較于普通玻璃窗戶，SLE和WRT智能窗戶可在炎熱的月份內節省下更多的能源功耗（圖2d-2f）。
圖2 智能窗戶的實際控溫性能及節能效率的模擬。a. 安裝SLE和WRT智能窗戶模型房屋的紅外圖像，插圖為安裝SLE和WRT智能窗戶模型房屋的實物照片；b-c. 在實際太陽光照射下，SLE智能窗戶和WRT智能窗戶的實際控溫效果；d. 選取利雅得為目標城市，使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的每月能量負荷；e. 選取香港為目標城市，使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的每月能量負荷；f. 在利雅得和香港使用普通玻璃窗戶、SLE和WRT智能窗戶帶來的全年總能量負荷。
該研究提出了基于多組分功能納米基元的共組裝策略，實現了可用于太陽光譜調控智能窗戶的快速構筑，并通過調制多類型材料的組分和結構顯著改善了窗戶的光學性能。這一共組裝策略具有操作簡便且易于大規模制備的優勢，為今后新型電致變色和熱致變色智能窗戶的設計、制備和應用提供了新的解決方案。
研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省科技重大專項、安徽省高校協同創新計劃、新基石科學基金會等的支持。南方科技大學參與研究。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38353-4
