在当今追求节能减排与舒适生活环境的时代，智能窗户作为一种新型节能设备成为建筑节能领域的研究热点。其中，热致变色智能窗户能依据外界温度变化，自动调节太阳光透过率，在降低建筑能耗方面潜力巨大。然而，现有的热致变色智能窗户在抗紫外、响应速度和高温稳定性方面仍存在不足，严重限制了其实际应用与发展。
针对上述问题，福州大学赖跃坤、黄剑莹、江献财、新加坡国立大学林志群联合开发了一种基于三维网络结构设计、Hofmeister效应增强及纳米颗粒屏蔽的热稳定复合凝胶，用于抗紫外、快速响应和全天候调节的热致变色智能窗户。该复合凝胶（HDNP）由羟丙基甲基纤维素（HPMC）、聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）（PDMAA）、硫酸钠（Na2SO4）和聚多巴胺（PDA）纳米颗粒组成。其中，PDMAA三维网络的引入作为支撑骨架增强了水凝胶的热稳定性，防止了HPMC在相变过程中的团聚和析出。Na2SO4通过Hofmeister效应不仅将水凝胶的低临界溶解温度（LCST）降至32°C，还将其相变速率提升了五倍，使其可以在30秒内完成相变。此外，小尺寸PDA纳米颗粒的引入赋予了水凝胶抗紫外能力和高透光率（>60%）。基于HDNP复合凝胶的智能窗户展示了66.9%的透光率、51.2%的太阳光调制能力和出色的耐久性。该研究的有效设计策略为开发快速响应和耐用的热致变色智能窗户开辟了新途径。相关工作以“Hofmeister Effect-Enhanced, Nanoparticle-Shielded, Thermally Stable Hydrogels for Anti-UV, Fast-Response, and All-Day-Modulated Smart Windows”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。
智能窗的设计理念
传统的HPMC水凝胶基智能窗户在高温下表现出较差的热稳定性和缓慢的相转变速率。研究团队巧妙地设计了一种新型智能窗，以HPMC水凝胶为基础，引入了PDMAA的三维网络作为支撑骨架。有效防止了HPMC水凝胶在相变过程中的团聚和析出，展现出优异的热稳定性。同时，研究人员选用无机盐Na2SO4调节水凝胶的LCST和相变速率。基于其更强的盐析效应，在降低LCST的同时进一步加快了相变速率。此外，PDA纳米颗粒不仅具有出色的紫外线吸收性能，还能作为内置“加热器”，在光照下进一步提高水凝胶的相变速率，同时保证了智能窗户具有较高的透光率。
图1. HDNP智能窗的设计理念以及与其他纤维素水凝胶基智能窗户的性能比较。
复合水凝胶的热稳定性
为解决HPMC水凝胶热稳定性差的问题，研究人员通过引入PDMAA三维网络结构给HPMC水凝胶当“支撑骨架”。并通过对水凝胶进行电镜（SEM 3100，CIQTEK）表征发现原始的HPMC水凝胶经过高温加热后其分子链会出现明显的团聚现象，导致大量水凝胶团簇从溶液中析出，从而发生不均匀相变，表现出较差的热稳定性。而引入PDMAA三维网络结构的HD20水凝胶，经过高温加热后能保持均匀的网络结构，从而得以维持均匀的相变和稳定的体积，表现出优异的热稳定性。并通过多次高温加热/冷却循环和长时间高温加热测试进一步证明了其优异的热稳定性。通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱和密度泛函理论（DFT）计算分析发现，PDMAA的引入与HPMC之间形成了氢键，改变了水凝胶内部的氢键作用。
图2. 复合水凝胶的热稳定性及光学性能。
水凝胶的相变温度和速率
为解决HPMC水凝胶相转变的难题，研究人员对比了不同盐阴离子的盐析效应。结果显示，SO42-对水凝胶相变速率的提升最为显著。添加3 wt% Na2SO4的HD20N3智能窗，在60°C加热时，能在30秒内从透明变为不透明，冷却至20°C时，也能在短时间内恢复透明，相变速率快。此外，通过控制Na2SO4的浓度，可以制备出具有不同LCST的水凝胶，展现出良好的灵活性和广泛的可调性。
图3. 复合水凝胶的相变速率及光学性能。
智能窗户的抗紫外线性能
抗紫外性能对水凝胶基智能窗户在实际应用中的长期耐久性至关重要，而PDA纳米颗粒给智能窗户带来抗紫外和光热双重功能。研究人员通过引入小尺寸的PDA纳米颗粒在保持高可见光透过率的同时，显著提高了复合水凝胶（HD20N3Ps）基智能窗户的抗紫外性能。实验结果表明，PDA纳米颗粒能够有效吸收紫外线，将智能窗户的紫外透过率从83.9%降至45.8%。此外，PDA纳米颗粒的光热效应能进一步提高智能窗户在光照下的相变速率。HD20N3Ps基智能窗户在紫外线照射下表现出优异的抗紫外老化性能，经过150小时的紫外照射后，其光学性能和结构基本保持不变。
图4. 智能窗户的抗紫外线、光热及光学性能。
全天调制智能窗户
研究人员通过监测配备HD20N3Ps基智能窗户的泡沫模型房屋的内部温度，评估其室温调制性能。实验结果表明，在模拟阳光照射下，HD20N3Ps基智能窗户能有效降低室内温度上升速率，使室内温度比普通空气窗户和HD20N3基智能窗户更低且更接近舒适温度范围。在不同天气条件下，HD20N3Ps基智能窗户也能保持良好的室温调节性能，展现出卓越的适应性和稳定性。此外，该智能窗户在不同温度下能自适应地调节透光率，满足实际应用需求，且经过多次循环测试后，其温度调制性能稳定，具有出色的耐久性。
图5. HD20N3PS基智能窗户的室温调节性能。
总结
该研究成功制备出具有快速相变速率、高热稳定性和抗紫外特性的纤维素基热致变色智能窗户。通过引入PDMAA三维网络结构、Na?SO?和小尺寸PDA纳米颗粒，有效解决了传统热致变色水凝胶的诸多问题，为智能窗户的发展提供了新的技术路径，对提高建筑能源效率、推动碳达峰和碳中和目标的实现具有重要意义。
论文的第一作者为福州大学王凯博士。福州大学赖跃坤教授、黄剑莹教授、江献财副教授、新加坡国立大学林志群教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划(2022YFB3804905，2022YFB3804900)和国家自然科学基金(22375047，22378068)等项目的大力支持。
