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基于此，中山大學付俊/福州大學江獻財團隊開發了一種基于水凝膠的可在大范圍內進行強溫度調節的智能窗，該水凝膠可用于在不同氣候下進行全天候建筑溫度調節。熱致變色聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-N，N-二甲基丙烯酰胺）水凝膠具有較低的臨界轉變溫度，將其應用于智能窗后可在沒有能量輸入的情況下，全光譜的太陽能調制率高達88.84%，固有透射率高達91.30%。從冬季到夏季，在23°N到39°N的不同城市進行了模擬室內調查。

結果表明，與玻璃窗相比，智能窗在夏季具有強大的太陽能調節功能，可將室內溫度降低至7.3°C，在冬季具有高效的熱量節約功能，可節約達4.30 J m-3的能源。該工作為低碳經濟的熱變色智能窗提供了一條創新道路。該論文以" Printable Thermochromic Hydrogel-Based Smart Window for All-Weather Building Temperature Regulation in Diverse Climates"為題在Advanced Materials雜志上發表了論文

水凝膠的合成與表征

作者將親水性單體N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）在25°C下與NIPAM原位自由基共聚（圖1a），生成無規共聚物P（NIPAM co-DMAA）（PND）水凝膠。LCST（低臨界共溶溫度）值可以通過改變網絡中的DMAA含量來調整。制備出的PND水凝膠是透明的（圖1b），與由于疏水性PNIPAM鏈的相分離而在高于其LCST的溫度下聚合的半透明PNIPAM水凝膠相反。DMAA單體增強了親水性（水接觸角34.3°，而PNIPAM為52.7°，圖1e）。改進的親水性有助于防止水凝膠在LCST以上的溫度下失水。

圖1 PND水凝膠的熱響應太陽能調節機制

溫度高于c時PND鏈會相變塌陷成疏水微區。因此，水凝膠智能窗變得半透明（圖1h）。60 ℃時的水接觸角從25 °C時的34.3°增加到61.4°（圖1e）。另一方面，PND-0.2（相對于NIPAM重量的20%DMAA）水凝膠網絡在60 C、孔徑（d）為約60nm至535nm（圖1f）。因此，PND水凝膠的尺寸參數（πd/λ，其中λ為光波長）在UV、可見光和NIR區域接近1，這在全光譜中可以有效地散射和阻擋太陽光。這是PND水凝膠智能窗高效太陽能調節的基礎。

智能窗戶的制備和性能

如圖2所示，制備的PND智能窗在室溫下是透明的，并且隨著室外溫度從早上8點逐漸升高到中午12點（例如，廣州，6月的晴天），它會變成半透明的（圖2b）。在35至45°C的PND智能窗上的相應光譜研究記錄了全光譜透射率從84.54%下降到0.01%（圖2c）。PND智能窗具有高輻射冷卻性能（ε為0.94，45°C），有助于促進室內溫度的冷卻，降低建筑能耗。

圖2 智能窗的制備和性能

此外PND水凝膠顯示出顯著的抗反射效果，增加了通過智能窗的入射光透射率。通過將PND水凝膠層夾在兩片商用綠色玻璃之間，其透過率lum為85.50%，高于同一雙層玻璃（空氣介于其間）(79.43%）。PND水凝膠智能窗的這種有趣的抗反射效果歸因于其高折射率（1.377），接近玻璃的1.517。因此水凝膠玻璃界面遠低于空氣玻璃界面，這顯著減少了反射，并增加了透射和窗口的透明度。更重要的是，基于PND水凝膠的智能窗具有長期使用的耐久性。例如，當智能窗從冬季到夏季放置在廣州戶外時，其180天的體積保持率為95.94%（圖2g）。

此外，由于PND智能窗通過改變環境溫度在“開-關”狀態之間反復循環切換并且透過率可以響應周期的溫度變化。同時在100個循環期間，窗口的亮度保持其原始水平，這表明了極好的再現性（圖2h）。這些結果表明，PND智能窗對于長期的建筑溫度調節是耐用的。

智能窗的室外模擬測試

圖3 智能窗的室外模擬測試

模擬室內試驗表明，PND智能窗具有顯著的透光率和太陽能調節功能，在室內溫度調節和節能方面具有巨大的前景。作者了兩個隔間的隔熱箱（圖3a），其中一個測試隔間配有PND智能窗，另一個控制隔間配有雙層玻璃窗（圖3b）。隔間內的溫度通過內置熱傳感器進行監測。

當暴露在陽光下1小時時，試驗室的溫度變化范圍為40.6至44.0°C，遠低于控制室的45.8-51.6°C（圖3c）。智能窗變得不透明，散射和阻擋入射的陽光，并防止局部加熱。室外測試結果表明。智能窗顯示出對溫度下降的快速響應。例如，測試期間發生了暴雨，導致環境溫度下降，PND智能窗經歷了快速不透明透明過渡。結果，測試室內的溫度迅速下降（圖3d）。

PND智能窗具有強大的太陽能調節和可調節功能，在氣候地理分布上對于建筑物溫度調節和節能是高效的。為了證明這一優勢，從2021 12月至2022年8月，在北京（116°E，40°N）、大連（121°E、39°N），西安（109°E和34°N）和上海（120°E，30°N）以及福州（119°E）和廣州（113°E或23°N）進行了一系列模擬室內試驗（圖3e）。

其中，PND水凝膠在35°C下通過相分離和通過窗口散射熱輻射變得不透明（圖1h）。同樣，智能窗在北京冬季實現了2.9°C的顯著溫度調節和3.76 kJ m-3的節能。在所有這些城市中，PND智能窗的隔熱效果是有效的，可實現2.7-5.6°C的顯著溫度調節和3.51-7.52 kJ m-3的節能（圖3h和3i）。這些模擬室內測試結果證明了PND智能窗在不同氣候的城市中的有效熱調節和突出的適用性。

智能窗的應用

作者通過3D打印在PND智能窗口中制作出精心設計的圖案（圖4a）。這里，PND水凝膠具有剪切變薄行為，如流變學測量所示。這種剪切變薄和快速恢復有利于將熱響應PND凝膠方便地3D打印成智能窗的各種圖案。通過對PND水凝膠進行圖案化，太陽能調節和可見度的優勢使得能夠設計和制造具有多種文化元素的藝術智能窗。

網格圖案可以用其他圖案代替或裝飾，用于文化展示和廣告。在中國傳統文化中，精心設計的紅色基里加米被用來裝飾中國春節等節日的窗戶。由于凝膠的出色印刷性能，使用PND水凝膠可以打印出不同的基里加米圖案。用不同染料染色的PND水凝膠被打印成各種設計圖案，如紅色基里加米、中國結和窗戶上的熊貓（圖4i）。對于不同場合具有特定需求的期望圖案可以自由打印，這擴展了PND智能窗口的實用性和功能性

圖4 智能窗的應用

總結：本工作開發的開發靈活的熱變色智能窗，可以適應不同氣候下的全天候溫度調節，可能為未來建筑節能和低碳經濟開辟新的途徑。