杜克大学开发智能窗户 可在数分钟内切换供暖和冷却模式

曾在烈日下停过车的人都知道，阳光很容易透过玻璃窗进入车内，让这些热量散发出去却很难。据外媒报道，杜克大学（Duke University）的研究人员开发了一种类似智能窗户的技术，只需轻轻一按开关，就可在两种状态之间进行转换，或者是收集来自阳光的热量，或者使物体冷却。这一方法有利于暖通空调节能，仅在美国就有望减少近20%的能耗。

（图片来源：杜克大学）

这种电致变色技术采用的材料，可在通电时改变颜色或不透明度。杜克大学机械工程和材料科学助理教授Po-Chun Hsu表示：“我们展示的电致变色设备，首次可以在太阳能供暖和辐射冷却之间进行切换。这种电致变色调控方法，不采用任何活动部件，而且连续可调。”

用电致变色玻璃制成智能窗户，是一种相对较新的技术。利用电致变色反应，将玻璃从透明变成非透明，眨眼之间又可变回来。有很多方法可以产生这种现象，但都涉及到将电响应材料夹在两层薄电极之间，并在其间传递电流。对于可见光而言，这已经很难实现；考虑到中红外光(辐射热)时，就更加困难了。

研究人员演示了一种薄的设备，该设备在被动供暖和冷却模式之间切换时，可以与两种光谱相互作用。在供暖模式下，该设备变暗以吸收阳光，并阻止中红外光逃逸。在冷却模式下，变暗的窗状层消失，同时露出一面反射太阳光的镜子，让设备后面的中红外光消散。由于镜子对可见光永远是不透明的，该设备不会取代家庭或办公室的窗户，但可能会用于其他建筑表面。Hsu表示：“很难制造出同时满足这两种条件的材料。在热辐射方面，我们的设备具备有史以来最大的调控范围之一。”

设计这样的设备需要克服两个主要挑战。首先是制造电极层，既要能导电，又要对可见光和热辐射保持透明。大多数导电材料，如金属、石墨和一些氧化物，均无法满足这一要求，因为这两种特性相互矛盾，因此研究人员开始自己设计材料。

研究人员从只有单原子厚的石墨烯层开始，但是石墨烯太薄了，不能反射或吸收任何一种光。而且，其导电性也不足以传输设备大规模工作所需的电量。为了克服这一限制，研究人员在石墨烯上加了一个薄薄的金网，充当电力高速公路。这在一定程度上降低了石墨烯让光线不受阻碍地通过的能力，但影响不大。

第二个挑战涉及设计一种材料，使其能在两个电极层之间穿过并来回切换，以吸收光和热，或让其通过。研究人员利用等离子体现象来实现这一目标。当微小的纳米级金属颗粒彼此相距只有几纳米时，可以根据其大小和间距捕获特定波长的光。但是，在这种情况下，纳米颗粒随机分布在簇中，可与大量波长的光相互作用，这有利于有效捕获阳光。

在演示过程中，电流通过两个电极，使上部电极附近形成金属纳米颗粒。这会导致设备变暗，使整个设备能够吸收和捕获可见光和热量。当电流逆转时，纳米颗粒会溶解回液体透明电解质中。完成这两种状态的转换，需要一到两分钟。Hsu表示：“在现实世界中，该设备会在一种状态或另一种状态下工作数小时。在转换过程中失去几分钟的效率，这微不足道。”

要让这项技术在日常生活中发挥作用，还有很多挑战。最大的挑战可能是，增加纳米颗粒在形成和解体之间循环的次数，因为其原型在失去效率之前，只能进行几十次转换。降温模式的太阳反射率也待提高，研究人员希望在不久的将来能够实现低于环境温度冷却。

然而，随着技术的成熟，可能会有很多应用。这项技术可应用于外墙或屋顶，在能耗很少的情况下，帮助建筑物供暖和降温。为建筑围护结构提供这样一种动态能力，利用可再生资源供暖和制冷，有可能减少使用建筑材料及其带来的碳排放。