在建筑物中安装一种智能化的节能窗户，通过阻挡太阳光对室内的长时间直射，延缓室内温度的升高，从而降低室内空调的使用频率，节约电能，减少碳排放。
这种智能化的窗户可以针对外界的刺激（如温度、光照强度的变化），快速改变自身对于太阳光的穿透性，从而调节进入室内的太阳光辐射能量，有效管理室内温度（图1）。在现有的工作中，智能窗户主要是在通过外观透明和不透明两种状态间的切换来调控太阳光辐射，缺乏对于太阳光中不同波段（如可见光波段和近红外光波段）的区分度和选择性。造成了智能窗户在阻挡太阳光的同时，也影响到建筑物对于日常采光照明的需求。此外，狭窄的刺激信号的响应范围使得这些智能窗户很难根据复杂的天气变化和多变的用户需求来动态地调控太阳光辐射。
如何解决智能化窗户对于太阳光辐射中不同波段的选择性调控，以及拓宽智能窗户对于刺激信号的响应范围是决定智能窗户能否实际使用的重要前提。让智能窗户实现在炎热天气里持续阻挡强烈太阳光照射，维持室内的凉爽；而在寒冷天气里又尽可能地让太阳辐射入室内，营造温暖的室内环境。 ▲图1 根据温度变化调控太阳光辐射的智能化窗户近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队提出了一种智能窗户制备新策略，利用气-液界面协同组装的方法，分别将电致变色、热致变色与光谱可调的纳米功能单元进行有序共组装，制备出动态调控太阳光辐射的智能窗户，为建筑物提供了更加有效的太阳光谱调控和热量管理窗口。
(资料图片仅供参考)
研究人员基于一维纳米材料独特的光学性质，合成并混合了不同尺寸的一维Au 纳米棒，这些Au 纳米棒的混合物可以根据尺寸的差异，选择性地吸收太阳光中760-1360 nm波段的近红外光，不会过多影响到400-760 nm波段的可见光，从而保证了室内的采光照明需求。随后，将多尺寸的Au 纳米棒混合物与电致变色 W 18 O 49 纳米线和导电Ag纳米线共组装成具有交叉网状结构的选择性光吸收电致变色智能窗户SLE。通过外部供电，智能窗户的外观颜色可以发生显著改变，实现了对太阳光的主动式阻挡（图2a）。
采用相同的界面共组装策略，研究人员将不同W掺杂量的热致变色W- VO 2 纳米线共组装，制备出具有宽响应范围的热致变色智能窗户。与基于单一类型 VO 2 纳米线的热致变色窗户相比，WRT智能窗户将热致变色响应温度从68°C扩展到30-50°C这一较宽的温度范围。在这种宽响应范围智能窗户中，处于热致变色状态下的W- VO 2 纳米线数量能够随着环境温度的变化而变化，从而动态调控智能窗户的变色性能（图2b）。当智能窗户安装在房屋上时，它们会有效地阻挡太阳光辐射，并根据施加的电压或环境温度的变化动态调节室内温度（图2c）。
▲图2. 智能窗户的构筑和调制机理。a. 选择性光吸收电致变色智能窗户SLE。b.宽响应范围的热致变色智能窗户WRT。c. 在施加电压或环境温度的刺激下，智能窗户对于太阳光的调控和室内温度的管理。 在实际太阳光的照射下，选择性光吸收电致变色智能窗户SLE和宽响应范围的热致变色智能窗户WRT智能窗户均能延缓模型房屋中温度的上升，有效降低了房屋中的峰值温度（图3a-3b）。在建筑物能源功耗仿真模拟中，研究人员对比了安装普通玻璃窗户和智能窗户建筑物的全年能源消耗，进一步分析得出在不同气候类型的地区中，相较于普通玻璃窗户，选择性光吸收电致变色智能窗户SLE和宽响应范围的热致变色智能窗户WRT智能窗户可以在炎热的月份内带来更加明显的能耗节省（图3d-3f）。 ▲图3. 智能窗户的实际控温性能及节能效率的模拟。a. 安装SLE和WRT智能窗户的模型房屋。b-c. 在实际太阳光照射下，SLE智能窗户和WRT智能窗户的控温效果。d.在利雅得，普通玻璃窗户、SLE和WRT智能窗户带来的每月能量负荷。e. 在香港，普通玻璃窗户、SLE和WRT智能窗户带来的每月能量负荷。f. 全年内，普通玻璃窗户、SLE和WRT智能窗户带来的总能量负荷。这项研究提出了一种基于多组分功能纳米基元的共组装策略实现了可用于太阳光谱调控智能窗户的快速构筑，通过调制多类型材料的组分和结构显著改善窗户的光学性能。这种共组装策略具有操作简便且易于大规模制备的优势，对于新型电致变色和热致变色智能窗户的设计、制备和应用具有重要研究意义。
相关成果以 Nanowire-based smart windows combining electro- and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation 为题发表在国际期刊 《自然-通讯》（ Nature Communications ）上。
参考文献：
1. Serpe, M. J., Fine-tuned gel particles enable smart windows for energy efficiency. Nature 565, 438-439, (2019).
2. Long, Y, et al. Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation. Science 374, 1501-1504, (2021).
3. Shu-Hong Yu, et al. Nanowire-based smart windows combining electro-and thermochromics for dynamic regulation of solar radiation. Nat Commun, 14, 3231, (2023).
来源：中国科学技术大学关键词：