福州大学赖跃坤教授《afm》！国仪电镜助力pna水凝胶在不同环境温度下的微观结构分析-真人游戏第一品牌

用户成就

随着全球人口的增长和经济的发展，大量的能源消耗和碳排放总量的不断增加给环境带来了巨大的压力。到2022年，建筑约占全球能源消耗的34%，占能源相关二氧化碳排放量的37%。窗户被认为是建筑物中最不节能的部分。热致变色窗是一种根据温度变化动态调节太阳透过率的窗户，被认为是一种很有前途的建筑节能装置。热致变色窗一般都对特定的温度有反应，在炎热的中午变得不透明，在夜间温度较低时变得透明，这可能会引起隐私问题。同时智能窗固定的工作温度，也限制了各种气候环境下的使用和用户的个人的偏好。

针对上述问题，福州大学化工学院赖跃坤教授团队借助国仪量子扫描电镜进行了深入研究，通过预先引发单体丙烯酰胺（aam）和丙烯酸（aa）合成p(aam-co-aa)，实现了低温响应。然后，将n-异丙基丙烯酰胺（nipam）和aam引入到p(aam-co-aa)中，原位合成pna凝胶。开发了一种具有tlum=84.4%、δtsol=69.5%的双向响应温度(冷、热)及透光区间可调的智能窗。这类材料能在炎热天气阻挡红外光，而在晚上时会变得不透明从而保护居住者隐私。此外，水凝胶的最高临界溶解温度（tp）和最低临界溶解温度（lcst）以及两个温度之间的透光区间可以灵活调整，以适应不同的气候和用户的个性化需求。该研究以题为“bidirectional temperature-responsive thermochromic hydrogels with adjustable light transmission interval for smart windows“的论文发表在《advanced functional materials》上。

双向温度响应智能窗

在p(aam-co-aa)的基础上，团队引入了nipam、aam，通过原位聚合形成了具有温度响应性的p(aam-co-aa)/nipam/aam 水凝胶（pna）。这种水凝胶在不同温度下表现出独特的光散射效应，如图1a所示，pna水凝胶在26°c时展现出84.4%的高透光率，保证了室内充足的自然光照，同时对采暖负荷的影响降至最低。当环境温度下降至10°c时，pna水凝胶的透光率急剧下降至0.8%，保护了居住者隐私。相反，在36°c的高温环境下，pna水凝胶能有效阻挡可见光及近红外光，减少室内温度的上升。通过图1b的微观结构表征，研究团队揭示了pna水凝胶在不同温度下的内部结构变化。在低温时，水凝胶的网络结构紧密，呈现出不透明的特性；而在26°c时，网络结构变得疏松，允许光线通过，赋予材料以高透明度；当温度升高至36°c时，水凝胶孔隙的减小和网络的致密化导致了显著的光散射，使窗户变得不透明。为了确保pna水凝胶的化学成分和结构稳定性，团队采用了傅里叶变换红外光谱（ftir）技术进行分析，不仅验证了水凝胶的化学组成，也为其在实际应用中的可靠性提供了科学依据。

图1.智能窗的制备及表征

氢键相互作用和光调节机制

研究团队深入探讨了不同温度下pna水凝胶相分离过程中的氢键相互作用及其光调节机制。研究发现，水凝胶透明度降低，对应的孔径减小，水凝胶的表面变得更疏水。水的接触角从26℃时的77.4°变化到10℃时的92.9°。在36°c时，水接触角从26℃时的77.4°增加到102.1°（图2b）。水凝胶网络塌陷，进而有效地散射和阻挡全光谱的阳光。这也是pna智能窗实现高效太阳能调节的基础。为了探究pna水凝胶的相变温度和结构稳定性，团队采用了差示扫描量热法（dsc）和流变测试等技术进行分析，不仅验证了水凝胶的pna水凝胶的lcst与pnipam的相变温度基本相同约为33.1°c（图2c），也为其不同温度下光调节机制提供了依据。

图2.温度介导氢键的机理分析及光调节机制

双响应可调光透过区间

为了动态地满足不同地区的温度需求和居住者的个性化喜好，团队通过在水凝胶制备过程中，调节aam与aa的摩尔比、nipam浓度、与nipam原位自由基共聚的aam的含量来独立调节智能窗的双向响应温度tp和lcst，从而调节光的透射区间。

图3. 具有双响应可调透光区间的pna智能窗

pna智能窗的光学和热学性质

研究团队设计的pna智能窗在22-26°c的人体舒适的温度范围内，具有很高的透明度（在550 nm处超过65%）。对温度也具有快速响应的能力，在36℃下，透射率发生突变，并在20 s内逐渐稳定下来。在10℃的低温下，透过率也在50 s内发生变化，并逐渐稳定下来（图4b）。由于pna具有特殊的双向温度响应特性，在10至36°c的pna智能窗上的相应光谱研究记录了全光谱透射率。在温度较低的夜间时，pna智能窗在可见光区的透光率显著下降至0.8%，有效保护住户隐私。但当温度升高到36℃时，pna智能窗的透光率显著降低，δtsol=69.5%（图4c）。水凝胶完全不透明并阻挡阳光（280-2500 nm）。有助于促进室内温度的冷却，降低建筑能耗。通过循环试验表明，pna智能窗口具有可靠的可逆性和循环稳定性（图4h）。

图4.pna智能窗的光学和热学性质

pna智能窗的节能性能

模拟室内试验表明，pna智能窗具有显著的透光率和太阳能调节功能，在室内温度调节和节能方面具有巨大的前景。研究团队将pna智能窗安装在模型屋中研究室内温度变化，并安装具有相同厚度的空气夹层窗户，水夹层窗户作为对照。在实验室模拟测试中，在100 mw/cm-2氙灯光源下，相较于空气夹层窗户，pna智能窗户使室温下降了6.4°c，较水夹层窗户，使室温下降了3.8°c（图5a）。为了验证智能窗在实际环境条件下的有效性，设计了户外模拟测试，与空气夹层窗户和水夹层窗户相比，室温分别降低了14.8℃和14.2℃（图5d）。说明使用pna智能窗可以显著降低空调能耗，具备优异的室内温度调节和节能性能。多次氙灯加热和自然冷却试验表明pna智能窗具有相对稳定的阻光能力和室温调节性能（图5e）。

图5.pna智能窗节能测试

总结

这项工作实现智能窗户在节能和隐私保护的双向应用。双向响应温度可以独立调节，进而产生与人体的舒适温度区域相匹配的透光区间，以适应各种气候条件或住户偏好，可能为未来建筑节能和隐私保护开辟新的途径。