夏天有救了！科學家研製出智能窗，可以控制進入室內的熱量！

隨着全球氣候變暖越來越明顯，節能減排變得越來越重要。而在節能減排中，窗戶其實也扮演了一個關鍵角色：夏天烈日產生的強太陽能輻射會透過窗玻璃使室內的溫度升高，冬季室內的熱量可以通過窗玻璃釋放到外界。通過窗損失的能量可以達到整個建築物能耗的一半。因此很多科學家將目光放在了窗戶之上。

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2024 年 5 月 14 日，我國科學家在《自然·可持續性》雜誌上發表了一篇關於研製智能節能窗的文章，宣佈研製出可以有效降低建築能耗的電致變色窗。

研究成果發表於《自然可持續性》雜誌（圖片來源：《自然可持續性》雜誌）

智能窗的原理

根據電磁輻射譜的不同，太陽光可以分爲可見光、紫外光、紅外光等多種波長範圍的輻射。在日常生活中，可見光是人眼可以感知的部分，可用於室內的照明。太陽輻射中接近一半的能量位於紅外線範圍內，紅外光部分可用於加熱物體。

太陽光頻譜，其中紅外光處於微波和可見光頻率之間（圖片來源：Wikipedia）

在這項研究中，科學家們開發出了一種能夠有效降低建築能耗的電致變色窗。這種窗戶可以根據室內外溫度或太陽輻射等環境變化，自動調節對可見光、近紅外光和中紅外光的傳輸和反射特性——換句話說，窗戶能智能調整自身的透光性和反射率，從而控制進入室內的光線和熱量，最終提高建築的能源效率。

爲了避免室內外環境之間的熱交換，研究者將窗設計成室內側爲具有低輻射率 ITO/聚乙烯（PE）基板，此材料能反射大部分外部熱輻射，減少其對室內環境的影響。同時，室外側爲具有高輻射率石英基板，此材料能夠高效地發射和吸收輻射，因此可以有效的將室內的熱輻射發射到外部環境中，從而無需藉助空調等外界設備降低室內的溫度。

同時，窗內部含有鋰離子（Li⁺）和氧化釩/氧化鎢（VO2/WO3）材料。氧化釩和氧化鎢作爲過渡金屬氧化物，它們能夠在電場的作用下發生可逆的氧化還原反應。通過施加不同的外加電壓，Li⁺ 能夠分別擴散至 VO₂ 和 WO₃ 層，並結合形成不同的化學物質。

進入 VO₂ 層的 Li⁺ 可以經過化學反應形成四方相 LixVO2，它具有金屬相的特性，折射率快速升高，導致近紅外光透過率的劇烈變化。而 Li⁺ 進入WO₃ 層形成的 LiyWO3由於鎢離子的還原表現出對可見光和紅外部分的吸收，導致透過率快速下降。因此，這兩種材料的結合使用，可以實現複雜、多樣化的顏色變化效果。

智能窗設計原理圖（a.智能窗設計概念；b.裝置原理圖；c. 加熱後檢測樣品表面溫度實驗圖；d. 加熱後不同材料表面溫度實驗圖；e.器件在明亮加熱、明亮冷卻和黑暗狀態下的透射光譜和內外面的中紅外發射率）（圖片來源：《自然可持續性》雜誌）

在寒冷的冬天裡，外界的低溫會激活材料的亮加熱狀態——窗戶在這種狀態下會變得更透明——以促進近紅外和可見光的進入。相反，在炎熱的夏天，則會啓動材料的亮冷和暗狀態，其中亮冷是指窗戶在這種狀態下也保持透明，但主要作用是允許可見光進入，同時減少近紅外光（熱量）的進入；而暗狀態則是指窗戶在這種狀態下會變得不透明或半透明，以減少可見光和近紅外光的進入。

因此，這種窗戶可以在供暖和製冷方面節省大量能源，使其成爲全球各種氣候條件下窗戶的可持續選擇。研究者利用研製的新型智能窗在戶外進行實驗。結果表明，與傳統的窗相比，新型電致變色結構的窗戶可實現全天持續冷卻，最高溫度降幅可達 14℃。

戶外節能性能測試（a. 在中國三亞一所房子的陽臺上進行的測量裝置；b.環境溫度和實時太陽輻照度；c.環境與實驗窗之間的溫度差）（圖片來源：《自然可持續性》雜誌）

還有哪些利於節能減排的建築材料？

進入近現代以來，工程師們就在建築物中廣泛使用各種保溫隔熱材料，用於建築物的冬季保暖和夏季隔熱，它們其實也能降低能源消耗。這些材料包括礦物棉、岩棉、玻璃棉、泡沫塑料及多孔聚合物、膨脹珍珠岩及其製品、硅酸鈣絕熱製品和各種複合保溫隔熱材料等。

此外，工程師們這些年來還在使用各種新型材料，其中包括：

1

硅酸鹽複合絕熱砂漿

這是一種新型牆體保溫材料，以精選海泡石、硅酸鋁纖維爲主原料，經多種工藝深度複合而成。其顯著特點是保溫隔熱性能好，施工簡便（直接塗抹），且解決了板材拼接處罩面層開裂的問題。

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製成，加水泥、水、起泡劑和穩泡劑等材料攪拌、成型、養護而成。具有質輕、導熱係數小、保溫隔熱性能好、有一定強度和韌性、耐水、難燃、施工方便、粘貼牢固、便於抹灰、價格較低等優點。

3

“變色龍”建材

科學家設計了一種可以自由變溫的智能化“變色龍”建材。這種材料內部含有可以在固體液體兩種構象間自由轉換的層，分別是可以保留紅外能量使溫度升高的固體銅和發射紅外線使溫度降低的電解質水溶液。因此，外界溫度變化時，材料內部便可發生化學變化，從而改變材料對於紅外熱輻射的發射率來實現對溫度的調節，可以極大地節省取暖的能耗。

“變色龍”建材示意圖（圖片來源：參考文獻2）

隨着科技的進步和人們環保意識的提高，節能減排建築材料將迎來更廣闊的發展前景。我們期待更多創新材料和技術涌現，爲建築行業帶來更多可能性。同時，我們每個人也要積極地參與到這個行動中來，爲節能減排做出自己的一份貢獻！

參考文獻

[1]Shao, Z., Huang, A., Cao, C. et al. Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings. Nat Sustain (2024) DOI:10.1038/s41893-024-01349-z.

[2]Chenxi Sui, Jiankun Pu, Ting-Hsuan Chen, et al. Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation. Nat Sustain，6, 428–437 (2023).

[3]張國玉.新型建築材料在建設工程中應用以及發展趨勢[J].江西建材, 2015, 000(022):284-284.DOI:10.3969/j.issn.1006-2890.2015.22.257.

[4]何雲富,徐剛,朱儁,等.VO2熱色智能玻璃研究進展[J].微納電子技術, 2008, 45(7):6.DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2008.07.004.

[5]張元元.熱色智能玻璃VO2薄膜的製備及性能研究[D].合肥工業大學,2013.DOI:10.7666/d.D425713.

策劃製作

出品丨科普中國

作者丨石霧遙 生物學博士

監製丨中國科普博覽

責編丨一諾

審校丨徐來、林林