建筑物能源利用效率的優(yōu)化在很大程度上主導了現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的進程，其中建筑物的照明、供暖和空調等能源系統(tǒng)占據(jù)了全球能源消耗的約40%，很多建筑物的能量會因為建筑窗戶與外界熱交換而大量浪費掉。因此，如何通過窗戶的智能化實現(xiàn)太陽光的調制是建筑物熱能高效利用的一項挑戰(zhàn)。由環(huán)境溫度變化引起自身物理性質變化的二氧化釩材料（VO?）成為實現(xiàn)窗戶智能化的重要手段之一。作為無需人工干預的自響應智能窗，它可以保持可見光不變，僅僅隨溫度變化調節(jié)近紅外區(qū)域太陽光透射，實現(xiàn)低溫多透光，高溫少透光。但是，二氧化釩材料的可見光透過率較低，紅外熱能的調控也同步減弱，能源管理效率的進一步提高受到材料物理特性的制約。

近日，復旦大學材料科學系梅永豐課題組在《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表題為《自卷曲二氧化釩納米薄膜增強太陽光多級調制》（“Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation”）的文章，復旦大學博士研究生李星和中國科學院上海硅酸鹽研究所博士研究生曹翠翠為共同第一作者，復旦大學梅永豐教授和中國科學院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員為共同通訊作者，該工作得到合作者復旦大學物理系鄭長林教授和中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所狄增峰研究員在實驗設計、材料表征和數(shù)據(jù)分析方面的大力支持。

研究團隊受到百葉窗的啟發(fā)，利用自卷曲技術將玻璃上的應變二氧化釩薄膜脫附并卷曲成 “葉片”陣列智能窗，通過環(huán)境溫度的變化調制智能窗為完全卷曲(“開”)，半卷曲(“半開”)和平面(“關閉”)狀態(tài)，并實現(xiàn)自響應智能切換，從而在全開狀態(tài)大幅提升透光率的同時，以不同的開度實現(xiàn)多程度光透過調制。智能窗工作方式如圖1所示，室溫下（a和b），玻璃表面的二氧化釩薄膜保持卷曲狀態(tài)，太陽光中的可見光和近紅外光都能幾乎完全不受阻攔地入射到室內，提高室內溫度和采光度。高溫下（c和d），卷曲二氧化釩薄膜因為相變導致的應變變化而自動展開，鋪平襯底遮擋太陽光中近紅外光的透過，降低室內光熱輻射。這樣的結構設計和工作方式使低溫環(huán)境下可以通過更多的透過太陽光輻射來進一步節(jié)約室內供暖和采光所需能量，而高溫下又能自發(fā)恢復熱輻射阻擋效果來減少室內制冷的消耗。

圖1：(a)和(b)低溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖、微觀示意圖及相應的SEM圖像；(c)和(d)高溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖、微觀示意圖及相應的SEM圖像；(e)卷曲智能窗高低溫下的光學照片；(f)可見光和近紅外光透光率變化；(g)卷曲智能窗和平面薄膜智能窗在不同城市中的年平均節(jié)能量模擬對比圖。

研究團隊發(fā)展的卷曲智能窗在可見到近紅外波段實現(xiàn)了隨溫度改變的多級太陽光透過率調制(e和f)，并得到極高的太陽光調制率（42.14%）和可見光透過率（61.01%），這使得該智能窗具備了在不同溫度，不同氣候，不同時段高效自適應調節(jié)室內溫度的能力。研究團隊利用全球氣候數(shù)據(jù)庫與模擬軟件，對不同氣候類型的典型城市中裝配卷曲智能窗、平面薄膜智能窗與普通玻璃的房屋進行了全年能耗(包括照明、供暖和制冷)的模擬(g)，由于卷曲智能窗具有比較高的太陽光調制率以及低溫下良好的太陽光透過率，無論在常年炎熱的環(huán)境還是四季嚴寒的環(huán)境，都具有比較優(yōu)異的節(jié)能效果。該工作將智能二氧化釩薄膜材料的熱致形變能力與熱致色變能力創(chuàng)造性地結合在一起，突破了傳統(tǒng)平面薄膜難以兼顧透光率、節(jié)能效率和多環(huán)境適應性的難點，為新一代的高效智能窗提供了一種新的可行性思路。

該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市科委、中科院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助和支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-35513-w

審核編輯 ：李倩