随着气候变化的现实日益迫在眉睫,，对节能解决方案和减少碳排放的需求变得比以往任何时候都更加紧迫。在应对这一全球挑战的各种方法中，有一种方法因其与我们的日常生活密切相关，即优化家庭和工作场所的能源使用。这种方法的基石是节能技术的发展，而这一领域最有前途的技术之一就是所谓的智能窗户。
智能窗户，也称为可切换或动态窗户，代表了建筑设计和能源效率方面的创新进步，其可以彻底改变管理建筑物温度和能源消耗的方式。这是一种可以根据特定条件(如温度、光线或电力)改变其属性(通常是光传输)的窗户。这种功能使智能窗户能够以比传统窗户更有效的方式调节来自太阳的热量和光线，从而提高建筑物的能源效率。
在用于制造智能窗户的各种技术中，热致变色窗户使用一种特殊材料，可以根据热量改变其透光特性。当温度升高到一定程度时，材料会变暗，从而阻挡更多来自太阳的光和热。这使建筑物更凉爽并减少了对空调的需求。
在最近发表在《先进材料》杂志上的一篇文章(“可打印的基于热致变色水凝胶的全天候建筑温度调节智能窗”)中，中国的一个多学科研究团队展示了基于水凝胶的新型智能窗户，具有强太阳能调制和可调转变温度(τc)用于不同气候下的全天候温度调节。
提出的PND水凝胶的太阳能调制热致变色机制 来源：Wiley-VCH Verlag
那么，基于水凝胶的智能窗户究竟是如何工作的，其又是如何为节能目标做出贡献的呢?
这些智能窗户的基本特征是一种特殊设计的水凝胶，可以对其进行微调以调节温度，使其适合在任何气候下使用。这意味着无论是正在经历阿拉斯加冬天的寒冷还是中东夏天的烈日，这些智能窗户都可以适应以确保最佳温度控制，从而显着节省能源。
这些热致变色智能窗户核心的PNIPAM水凝胶具有高亲水性，即其很容易吸水，并且包含特定的微结构，可以强烈调节或调整其允许通过的太阳能。PNIPAM是一种应用广泛的负热敏聚合物，因为其随着温度的降低溶解度增加，通过形成氢键引起体积相变。目前引起了很多科学研究的兴趣。
然而，PNIPAM水凝胶在特定温度(约32°C)下转变，限制了其在不同气候下的用途。为了使这些窗户更加通用，研究团队通过将PNIPAM与另一种物质结合来调整转变温度，这种物质是一种称为N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)的亲水性单体。这种组合形成了一种新型水凝胶(PND)，其转变温度可以通过改变DMAA的量来精确控制。这种方法允许将转变温度设置在32.5至43.5°C之间的任何位置，使这些智能窗户能够适应不同的气候条件。
PNIPAM和PND水凝胶结构示意图 来源：Wiley-VCH Verlag
这种太阳能调制跨越紫外线、可见光和近红外光，这意味着其可以有效地阻挡阳光，减少晴天时不必要的热量。
这些窗户的设计在阻挡太阳能透射方面表现出令人印象深刻的效率，减少了高达88.84%。同时，其保持高水平的自然光，允许高达91.3%的阳光通过。此外，其还经久耐用，适合长期使用。
从北京到广州，在几个不同气候的城市进行了模拟室内研究，证明了这种窗户的有效性。结果令人震惊：与标准窗户相比，这些智能窗户能够在夏季将室内日间温度降低多达7.3°C，从而使每立方米房间体积节省9.51千焦的能源。
此外，这些窗户在冬季表现出显着的阻挡热辐射或热传输的能力，即使与中央供暖系统一起使用时也是如此。这种能力进一步提高了节能潜力。
展望未来，这些窗户不仅仅是温度调节。水凝胶材料的柔韧性允许使用3D打印技术。太阳能调制和可见度是基于PND水凝胶的智能窗户的主要优势，其提供了广泛的设计可能性。窗户可以装饰或图案化各种文化元素，包括艺术设计和广告。例如，这些窗户可以用红色剪纸装饰，这是中国节日传统上使用的一种剪纸艺术。
正如研究人员在其工作中所展示的那样，由于PND水凝胶具有出色的可打印性，可以将不同的图案直接印刷到窗户上。此外，水凝胶可以用各种染料染色，创造出色彩缤纷的设计，例如中国结和熊猫。这些水凝胶的多功能性允许根据特定场合或要求进行定制，大大提高了智能窗户的可用性和功能性。
用于平衡太阳能调制和可见度的印刷水凝胶图案：PND 水凝胶打印的图案照片：中国传统红剪纸、中国结和熊猫。
来源：Wiley-VCH Verlag
这项技术的一个很有前途的应用是广告。企业标志或其他品牌元素可以印在这些智能窗户上，而不会影响其太阳能调制能力。此外，彩色图案的水凝胶设计可以快速响应温度变化，这为这些窗户增加了另一层交互性。这种新颖的窗户制造方法扩展了智能窗户在文化展示和广告方面的潜力。
有了这些开创性的热致变色智能窗户，可以设想未来的建筑可以全天候调节温度，而不受当地气候的影响。这项技术不仅提高了舒适度和建筑设计，而且显着有助于节能，为低碳经济铺平了道路。开发和大规模采用这种节能解决方案，可以说是应对气候变化的一大步。
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