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

在烈日下拦过车的人都知道，阳光很容易透过玻璃窗进入车内，却很难让这种热量散发出去。据国外媒体报道，杜克大学的研究人员开发出了一种类似于智能窗户的技术，只需轻触开关，就可以在两种状态之间切换，或者收集阳光中的热量，或者冷却物体。这种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。

(来源:杜克大学)

这种电致变色技术使用通电后可以改变颜色或不透明度的材料。杜克大学机械工程和材料科学助理教授徐宝春(Po-Chun Hsu)说:“我们展示的电致变色设备首次可以在太阳能加热和辐射冷却之间切换。这种电致变色调节方法不使用任何移动部件，并且是连续可调的。”

用电致变色玻璃制作智能窗户是一项相对较新的技术。利用电致变色反应，玻璃由透明变成不透明，一眨眼就能变回原样。有许多方法可以产生这种现象，但所有的方法都涉及到将一种电响应材料夹在两个薄电极之间，并在它们之间传输电流。对于可见光，这是很难实现的；当考虑中红外光(辐射热)时就更难了。

研究人员展示了一种薄设备，当在被动加热和冷却模式之间切换时，它可以与两种光谱相互作用。在加热模式下，该设备变暗以吸收阳光并防止中红外光逃逸。在制冷模式下，变暗的窗口层消失，同时露出一面反射太阳光的镜子，使设备后面的中红外光消散。由于镜子对可见光总是不透明的，这种设备不会取代家庭或办公室的窗户，但可以用于其他建筑表面。许说:“很难制造同时满足这两个条件的材料。在热辐射方面，我们的设备拥有历史上最大的监管范围之一。”

设计这样的设备需要克服两个主要挑战。第一是制造电极层，该电极层对可见光和热辐射是导电和透明的。大多数导电材料，如金属、石墨和一些氧化物，都不能满足这一要求，因为这两种特性是矛盾的，所以研究人员开始设计自己的材料。

研究人员从只有一个原子厚的石墨烯层开始，但石墨烯太薄了，无法反射或吸收任何类型的光。而且其导电性不足以传输设备大规模运行所需的电力。为了克服这一限制，研究人员在石墨烯上添加了一层薄薄的金网，充当电高速公路。这在一定程度上降低了石墨烯让光线畅通无阻的能力，但影响不大。

第二个挑战涉及设计一种可以在两个电极层之间通过的材料，并来回切换以吸收光和热，或让光和热通过。研究人员利用等离子现象来实现这一目标。当微小的纳米金属颗粒之间的距离只有几纳米时，根据它们的大小和间距，可以捕获特定波长的光。然而，在这种情况下，纳米粒子随机成簇分布，可以与大量波长的光相互作用，有利于有效捕捉太阳光。

在演示过程中，电流通过两个电极，从而在上电极附近形成金属纳米颗粒。这将导致设备变暗，使整个设备能够吸收和捕捉可见光和热量。当电流反向时，纳米颗粒将溶解回液体透明电解质中。完成这两种状态之间的转换需要一到两分钟。Hsu说:“在现实世界中，设备将在一种或另一种状态下工作几个小时。转换过程中损失几分钟的效率可以忽略不计。”

让这项技术在日常生活中发挥作用还有很多挑战。也许最大的挑战是增加纳米粒子在形成和解体之间的循环次数，因为它们的原型在失去效率之前只能经历几十次转变。冷却模式的太阳反射率也需要提高，研究人员希望在不久的将来实现低于环境温度的冷却。

但是，随着技术的成熟，可能会有很多应用。这项技术可以应用于外墙或屋顶，以很少的能耗帮助建筑物加热和冷却。为建筑围护结构提供这种动态能力，使用可再生资源进行加热和冷却，可以减少建筑材料的使用及其碳排放。在烈日下拦过车的人都知道，阳光很容易透过玻璃窗进入车内，却很难让这种热量散发出去。据国外媒体报道，杜克大学的研究人员开发出了一种类似于智能窗户的技术，只需轻触开关，就可以在两种状态之间切换，或者收集阳光中的热量，或者冷却物体。这种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。

(来源:杜克大学)

这种电致变色技术使用通电后可以改变颜色或不透明度的材料。杜克大学机械工程和材料科学助理教授徐宝春(Po-Chun Hsu)说:“我们展示的电致变色设备首次可以在太阳能加热和辐射冷却之间切换。这种电致变色调节方法不使用任何移动部件，并且是连续可调的。”

用电致变色玻璃制作智能窗户是一项相对较新的技术。利用电致变色反应，玻璃从……透明到不透明，一眨眼就能变回来。有许多方法可以产生这种现象，但所有的方法都涉及到将一种电响应材料夹在两个薄电极之间，并在它们之间传输电流。对于可见光，这是很难实现的；当考虑中红外光(辐射热)时就更难了。

研究人员展示了一种薄设备，当在被动加热和冷却模式之间切换时，它可以与两种光谱相互作用。在加热模式下，该设备变暗以吸收阳光并防止中红外光逃逸。在制冷模式下，变暗的窗口层消失，同时露出一面反射太阳光的镜子，使设备后面的中红外光消散。由于镜子对可见光总是不透明的，这种设备不会取代家庭或办公室的窗户，但可以用于其他建筑表面。许说:“很难制造同时满足这两个条件的材料。在热辐射方面，我们的设备拥有历史上最大的监管范围之一。”

设计这样的设备需要克服两个主要挑战。第一是制造电极层，该电极层对可见光和热辐射是导电和透明的。大多数导电材料，如金属、石墨和一些氧化物，都不能满足这一要求，因为这两种特性是矛盾的，所以研究人员开始设计自己的材料。

研究人员从只有一个原子厚的石墨烯层开始，但石墨烯太薄了，无法反射或吸收任何类型的光。而且其导电性不足以传输设备大规模运行所需的电力。为了克服这一限制，研究人员在石墨烯上添加了一层薄薄的金网，充当电高速公路。这在一定程度上降低了石墨烯让光线畅通无阻的能力，但影响不大。

第二个挑战涉及设计一种可以在两个电极层之间通过的材料，并来回切换以吸收光和热，或让光和热通过。研究人员利用等离子现象来实现这一目标。当微小的纳米金属颗粒之间的距离只有几纳米时，根据它们的大小和间距，可以捕获特定波长的光。然而，在这种情况下，纳米粒子随机成簇分布，可以与大量波长的光相互作用，有利于有效捕捉太阳光。

在演示过程中，电流通过两个电极，从而在上电极附近形成金属纳米颗粒。这将导致设备变暗，使整个设备能够吸收和捕捉可见光和热量。当电流反向时，纳米颗粒将溶解回液体透明电解质中。完成这两种状态之间的转换需要一到两分钟。Hsu说:“在现实世界中，设备将在一种或另一种状态下工作几个小时。转换过程中损失几分钟的效率可以忽略不计。”

让这项技术在日常生活中发挥作用还有很多挑战。也许最大的挑战是增加纳米粒子在形成和解体之间的循环次数，因为它们的原型在失去效率之前只能经历几十次转变。冷却模式的太阳反射率也需要提高，研究人员希望在不久的将来实现低于环境温度的冷却。

但是，随着技术的成熟，可能会有很多应用。这项技术可以应用于外墙或屋顶，以很少的能耗帮助建筑物加热和冷却。为建筑围护结构提供这种动态能力，使用可再生资源进行加热和冷却，可以减少建筑材料的使用及其碳排放。

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