智能窗的案例
：發電智能窗助力建筑節能產能
熱致變色智能窗具有低成本和零能量輸入的特性。基于水凝膠復合材料不僅可以調節陽光透過率，還可以提高材料的機械和熱響應速度，然而現階段智能窗主要注重調節透光能力，在太陽光調控的過程中，太陽輻射的能量被浪費。
日前，中國石油大學（北京）徐泉教授團隊設計并制備了一款高太陽能調制能力和自發電的能量生成系統結合的顛覆性新型智能窗（Energy saving and energy generation-ESEG智能窗）。ESEG智能窗由多層百葉太陽能電池結構，溫控變色的主客體水凝膠、以及氧化銦錫(ITO)玻璃相結合的結構，兼具節能和發電能力（ESEG智能窗），此款智能窗制造簡單、可規模化生產，最重要的是具有儲能、節能、主動控制、防凍一體化功能，商業化前景廣闊，相關成果已發表于Advanced Science，2022，202105184。
圖1. (a)節能儲能一體化智能窗的多層百葉結構；(b) 主客體熱致變色水凝膠（HGT水凝膠）的機理示意圖和0.15 m2窗戶在不同溫度下50×30 cm測試的光學照片；(c) 不同環境下的節能儲能一體化智能窗示意圖；(d) ESEG不同視角的光學照片。圖片來源：Advanced Science
主客體熱致變色水凝膠（HGT水凝膠）由透明熱穩定 (PAM-PAA) 水凝膠基質，及熱響應羥丙基纖維素 (HPC) 微粒制成。在臨界溶解溫度 (LCST) 以下，HPC 在 PAM-PAA 基質中分布良好，并與周圍的水分子形成氫鍵，此時 HGT 水凝膠是透明的。
展開 Joule: 無需人工干預的自響應VO2智能窗——走向冬暖夏涼的新選擇
面向應用，VO2智能窗仍需突破相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率和輻射系數等的相互耦合影響的問題。這些智能窗應用方面的重要參數總是此消彼長（圖3），如何獲得整體均衡性能是重要的發展方向。
圖3.VO2的熱致變色性能(相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率)總結
這篇綜述系統總結了VO2熱致變色智能玻璃的研究進展。包括原子尺度的缺陷，摻雜，晶格力，和微納米尺度內結構（圖4）的對于其相變和光學性能的影響，討論了基于該材料的多功能智能玻璃的進展。
圖4. 微納米尺度結構設計提升VO2的熱致變色性能
盡管基于VO2的智能節能窗材料在近十年取得了顯著進步，但是未來仍然面臨許多挑戰。文章系統性地，以多尺度的視角，從電子結構、原子結構、納米尺度、微米尺度、到宏觀節能效率，綜述了VO2材料在智能窗上的最新研究進展，并提出為了將該技術更好的推廣和廣泛應用，需要重點關注如下幾個問題：
如何平衡相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率這幾個參數；
如何調整VO2的顏色，使其更加符合人們的審美習慣；
如何調整VO2的熱發射率；
如何提高VO2的穩定性；
VO2的毒性評價。
上海大學崔苑苑和南洋理工大學柯宇杰為論文的共同第一作者，上海大學高彥峰和南洋理工大學龍祎為該論文的共同通訊作者。相關系列研究獲得了新加坡Nationalresearch foundation、新加坡教育部、中國國家自然科學基金、中國科技部和上海市科委等的大力資助。
展開 具有超快光學調制的被動輻射冷卻智能窗
由于制備簡單且成本低，PDLC在動態光學調節窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應用。實際上，PDLC的聚合物基體在紅外區域具有特殊的化學鍵振動，有望在大氣窗口范圍內產生穩定的紅外熱發射，這在過去的研究中顯然被忽視了，有待于進一步的探索。
中國PDLC薄膜的工作原理示意圖
02
成果掠影
近日，北京大學楊槐教授與湘潭大學謝鶴樓教授合作，通過分子設計，在傳統的PDLC基體中引入具有中紅外發射能力的可聚合單體并調控基體的微觀結構，首次提出了一種電控PRC智能窗，在單一薄膜中同時實現了被動輻射冷卻和太陽光調制。通過給定電壓控制入射太陽光的總量，以毫秒級的響應能力實現了熱量的按需多級管理 。該工作有望為先進光學器件和節能設備的設計提供新的啟示。相關研究成果以“
Ultrafast Switchable Passive Radiative Cooling Smart Windows with Synergistic Optical Modulation”為題發表于《Advanced Functional Materials》。
03
圖文導讀
圖1 a)中國PDLC薄膜的制備工藝示意圖。b)用于制備PRC PDLC薄膜的中紅外發射單體的吸收光譜。
展開 高性能熱致變色、減反增透和自清潔多功能涂層
二氧化釩（VO2）是一種具有熱致相變特性的過渡金屬氧化物，在68℃附近可發生由金屬態到半導體態的可逆相變，同時伴隨著光學、電學等性質的突變，因而在智能窗、激光防護膜、信息存儲、溫度傳感器以及光轉換器件等諸多領域存在應用價值。近年來，節能技術受到越來越多的關注，因而VO2薄膜作為一種無需消耗其它能量，僅根據溫度變化就可控制太陽光透過率的智能窗鍍膜材料，成為領域內的研究熱點。從實際應用角度講，智能窗用VO2薄膜還存在一系列問題，主要有薄膜可見光透過率較低、太陽能調節率不理想、本征的棕黃色在實際使用過程中視覺效果較差等。
針對VO2熱致變色薄膜存在的問題，中國科學院理化技術研究所微納材料與技術研究中心設計并制備了一種可高效精準控制合成的SiO2/TiO2/VO2三層空心納米球（TLHNs）和基于TLHNs的多功能涂層。其中內層氧化硅具有良好的減反性能，中層的氧化鈦具有光催化自清潔的性能，最外層的氧化釩具有良好的熱致變色效果。TLHNs涂層的低溫積分透光率為74%，太陽能調控效率為12%，在同類型多功能薄膜中為性能最優。此外，研究人員還提出了一種巧妙的計算模型，可以快速獲得復雜納米粒子組裝涂層的有效折射率(neff)。計算和實驗結果表明，相較致密平整的VO2涂層，該工作提出的三層空心結構能夠顯著降低涂層在可見光區域的折射率（600 nm處由2.25降低至1.33）和反射率（平均反射率由22.3％降低至5.3％）。
(a) VO2和SiO2/TiO2/VO2 TLNHs涂層的高低溫透光率曲線，(b)/(c) TLNHs涂層的節能效果測試圖
這項工作為制備同時具有減反增透、自清潔和熱致變色三功能的復合涂層提供了新思路。
展開 
北京大學劉忠范院士Adv. Mater.綜述：傳統玻璃表面上的石墨烯CVD生長方法和機理
6、超級石墨烯玻璃的應用
圖13 “超級石墨烯玻璃”的多種應用
a）石墨烯玻璃基液晶調光智能窗示意圖；
b）基于石墨烯玻璃制作的液晶調光智能窗實物圖；
c）石墨烯玻璃基液晶調光智能窗透過率隨施加電壓的變化曲線。插圖顯示了基于石墨烯玻璃的智能窗的響應時間；
d）石墨烯玻璃基電阻式觸摸屏示意圖；
e）石墨烯玻璃基觸摸屏工作實物照片；
f）石墨烯玻璃基觸摸屏的線性測試；
g）石墨烯藍寶石玻璃基藍色LED示意圖；
h）LED結構的暗場圖像，g = 0002.；
i）在有和沒有石墨烯的藍寶石玻璃上制造的LED的發光功率隨注入電流變化曲線。
7、總結和展望
圖14 在產量和質量方面，不同生長方法的的比較
根據石墨烯結晶度（G），生長速率（R），均勻性（U），成本（C）和可放量性（S）評估每類生長方法。 標記為1,2和3的每個環分別表示低，中和高水平。
【總結與展望】
應該強調的是，這對于“超級石墨烯玻璃”的實際應用來說只是一個良好的開端。在目前階段，玻璃襯底上高質量石墨烯的CVD生長仍存在很多挑戰，“超級石墨烯玻璃”的理論與現實之間仍然存在很大差距。對于未來的實際應用，需要開發特定玻璃襯底的生長技術和批量生產設備。此外，對于“超級石墨烯玻璃”的應用研究是重要的的，例如觸摸板、智能窗、透明加熱器、光學元件和傳感器、生物相容性玻璃器皿等。相信隨著石墨烯玻璃生長技術的突破，在不遠的將來“超級石墨烯玻璃”有望成為石墨烯的撒手锏級應用。
來源：材料人
展開 新加坡國立大學Lee Jim Yang組EES: 可選擇性調控可見光與熱的智能窗新突破
【引言】
目前建筑能源消耗 （包括加熱，通風，制冷， 照明）約占世界能源消耗的30-40%，電致變色玻璃通過動態的控制太陽光的透過率， 已經成為一種降低建筑能源消耗的綠色科技之一。 近年來， 可選擇性調控可見光與熱的新型電致變色玻璃成為研究的熱點。 這種新型的電致變色玻璃可以實現對可見光與熱的獨立控制，從而進一步優化建筑的能源效率，減少建筑的能源消耗 。然而， 這種新型的電致變色玻璃尚處于研究的起步階段， 仍然存在著許多題，例如：（1）較高的成本；（2）復雜的材料制備過程；（3）可見光與熱的選擇性差（4）較差的電致變色性能 （較低的光調制范圍，較長的響應時間以及較短的循環壽命）。
【成果簡介】
近日，新加坡國立大學Lee Jim Yang 教授課題組報道了一種基于Al3+ 嵌入/嵌出驅動的雙波段電致變色玻璃。 這種雙波段的電致變色玻璃不僅可以實現對可見光與熱 （近紅外）的有效獨立控制，并且展現了優異的電致變色性能 – 高的光調制范圍 （~90% 在350-2200 nm 范圍內）；較快的響應時間； 高的著色效率以及優異的循環穩定性。此外， 作者還對Al3+ 嵌入/嵌出的機制以及性能改善的原因做了詳細的分析和解釋， 并且與Li+ 嵌入/嵌出做了詳細的對比。該成果以題為“Al3+ intercalation/de-intercalation-enabled dual-band electrochromic smart windows with a high optical modulation, quick response and long cycle life”發表在國際知名期刊Energy & Environmental Science（影響因子：
展開 [TechwizD和TX液晶顯示軟件] TechWiz LCD 3D應用：液晶面板和光柵衍射分析
? 狹縫模擬
（a）極坐標圖
（b）顏色輪廓
（c）衍射強度
? 液晶相位光柵模擬
（d）TRN數據 （e）極坐標圖
（f）衍射效率
（g）圖像分析
? 智能窗
（h）液晶指向矢分布和相位差曲線 （i）衍射效率，POM圖像，以及衍射圖樣
[1] C.-H. Han, T.-H. Choi, W.-S. Kim, S.-W. Oh, Diffractive liquid crystal device for privacy window with a low operating voltage, J. Inf. Disp. 24 249–254(2023).
（j）衍射效率，衍射圖樣，以及POM圖像 （k）衍射圖像分析
[2] C.-H. Han, S.-W. Oh, A high-haze liquid crystal grating device with asymmetric anchoring energies, Displays 81 102581 (2024).
? 偏振體光柵（PVGs）
（l）ChLC PVGs （m）入射光
展開 TechWiz LCD 3D應用：液晶面板和光柵衍射分析
□ 狹縫模擬
（a）極坐標圖
（b）顏色輪廓
（c）衍射強度
□液晶相位光柵模擬
（d）TRN數據 （e）極坐標圖
（f）衍射效率
（g）圖像分析
□智能窗
（h）液晶指向矢分布和相位差曲線 （i）衍射效率，POM圖像，以及衍射圖樣
[1] C.-H. Han, T.-H. Choi, W.-S. Kim, S.-W. Oh, Diffractive liquid crystal device for privacy window with a low operating voltage, J. Inf. Disp. 24 249–254(2023).
（j）衍射效率，衍射圖樣，以及POM圖像 （k）衍射圖像分析
[2] C.-H. Han, S.-W. Oh, A high-haze liquid crystal grating device with asymmetric anchoring energies, Displays 81 102581 (2024).
□偏振體光柵（PVGs）
（l）ChLC PVGs （m）入射光
展開 小眾納米材料——二氧化釩的應用
二氧化釩（VK-V01）是一種具有相變性質的金屬氧化物，其相變溫度為68℃，相變前后結構的變化導致對紅外光由透射向反射的可逆轉變，人們根據這一特性將其應用于制備智能控溫薄膜領域。由于其優異的導電特性，也同時應用于電子器件。
氧化釩材料在相對低的溫度下作為絕緣體時，呈現出多相競爭的現象。然而，自20世紀60年代人們開始研究二氧化釩以來，這奇異的相行為一直不為人們所掌握。美國科學家2010年11月23日表示，通過對二氧化釩相變(從金屬到絕緣體)進行系統的研究，他們揭開了困擾學術界數十年的謎團。他們發現二氧化釩發生的多相競爭現象純粹是由晶格對稱所引起的，并認為在冷卻時二氧化釩（VK-V01）晶格能夠以不同的方式發生“折疊”，因此人們所觀察到的現象是二氧化釩不同的折疊形態。
【規格】
型號
VK-V01
粒徑
30nm左右
比表面積
14.5m2/g
PH值
4-5
二氧化釩（VK-V01）幾種主要應用：
1、智慧窗
是一種由基材(玻璃或某他透明材料等)和調光物質所組成的光學器件,它能在一定的物理化學因素(如光照、電磁輻照、電場、氣體、溫度)激發下，在太陽光譜的某些區段發生著色或褪色反應，引起調光物質光學特性改變，從而光譜選擇性地吸收或反射太陽輻射，達到屏蔽紫外線、調節進入室內陽光強度和室內外的熱交換、降低制冷制熱能耗和減少碳排放等目的.根據其激勵方式的不同,智能窗可分為熱致色變、氣致色變和電致色變三大類
2、 太赫茲超材料
VO2相變前后電阻的突變性達到104數量級，而且這種突變可逆，這使得 VO.可作為一種優良的光電開關材料。
展開 東華大學王宏志團隊ACS Nano:高性能Na+離子電致變色助力廉價顯示電子及物聯網器件
顧名思義，電致變色是指材料光學屬性在外加電場的作用下發生可逆的變化的現象，宏觀表現為顏色和透明度的可逆變化，已經廣泛應用于智能窗、汽車后視鏡、智能顯示等領域。但是由于Na+離子半徑明顯大于通用的Li+離子，導致其在傳統電致變色電極如氧化鎢中傳輸變得緩慢，從而極大地降低了電致變色材料的性能和循環壽命，限制了鈉離子電化學體系在電致變色領域的應用。
【成果簡介】
近日，東華大學王宏志研究團隊與美國佐治亞理工王剛博士(現美國西北大學博士后)合作，將含有變色基團的有機配體組裝成MOF電極，利用該類MOF結構中具有較大尺寸的一維離子通道，實現了鈉離子的快速脫嵌，從而使得電致變色電極在Na+有機電解液中達到了極高的變色速度和變色效率。相關成果以題為“Ion-Transport Design for High-Performance Na+-Based Electrochromics”發表在ACS Nano上。文章的共同第一作者為東華大學李然博士生和李克睿博士(現新加坡國立大學博士后)。
【圖文導讀】
圖一. 兩種MOF的結構分析。
(a, b, c, d)兩種MOF的SEM圖像；
(e)兩種MOF的XRD圖；
(f, g)兩種MOF的晶體結構示意圖；
(h)兩種MOF的N2等溫吸脫附曲線；
圖二. MOF電極在不同電解液中電化學性能和離子傳輸示意圖。
(a)MOF電極在不同電解液中的電化學阻抗圖；
(b)MOF電極在Na+電解液中的循環伏安曲線；
(c)不同離子在MOF電極中的離子傳輸效率；
(d) MOF電極在不同電解液中離子傳輸機制圖；
圖3. MOF電極在不同電解液中的電致變色性能。
展開 北京科技大學李立東教授課題組在聚合物/金簇復合水凝膠領域取得新進展
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c03587
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寧波材料所陳濤研究員、張佳瑋研究員團隊CEJ：在智能高分子水凝膠傳感驅動功能集成方面取得進展
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華東理工大學王義明研究員與郭旭虹教授團隊在智能超分子聚合物水凝膠材料領域取得新進展
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展開 
新型智能材料——電致變色材料
科學家指出，電致變色材料是目前最有研究和應用前景的智能材料之一。而科學家也曾預言，智能材料的大規模應用將使得材料科學的發展發生革命性變化。那么，這智能材料是怎樣的存在呢？智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料。
為什么科學家會認為電致變色材料是目前最有應用前景的智能材料之一呢？因為電致變色材料具有特殊的性能和誘人的應用前景。這極具應用前途的材料到底有哪些應用？
一般情況下，大家比較經常接觸的是——智能節能窗（智能玻璃）、信息顯示器、汽車防眩目后視鏡、信息儲存器等。
汽車防眩目后視鏡
在國防和軍事領域，電致變色材料也是有著很廣泛的應用市場。例如，電致變色材料因具有紅外發射可調特性（在中遠紅外光譜）可制成新型紅外發射器件。據專家介紹，該種新型發射器可以應用于衛星、武器裝備的紅外隱身等諸多領域。所以，你說電致變色材料這么一塊“香餑餑”怎會不迅速成為各國研究人員們爭相研究的領域呢？
衛星
那么，什么是電致變色材料？電致變色材料是電致變色器件中最核心的材料。該種材料在外加電場的作用下會發生穩定、可逆的顏色變化現象。其中，電致變色器件一般由透明導電層、電致變色層、電解質、離子存儲層和透明導電層組成。
而目前被進行各種研究且被研究得比較多的電致變色材料主要有3大類——無機電致變色材料、有機電致變色材料和有機金屬螯合物材料。其中，無機電致變色材料表現出結構和性能穩定好等優點，使之成為目前研究最為廣泛和成熟的材料。而無機電致變色材料的研究種類也比較多，也是可以分為3類：陰極電致變色材料、陽極電致變色材料和復合電致變色材料。以下，我們主要了解一下陰極電致變色材料。
什么是陰極電致變色材料？陰極電致變色材料是指一類在高價的氧化態時為無色狀態，而在低價還原態時為著色狀態的電致變色材料。
展開 《AFM》：一種自界面柔性熱器件！
本文期待STD憑借其低TCR、強自附著性、機械靈活性和光學透明性，能夠促進具有動態和高度不均勻表面的先進熱傳輸設備的開發，包括智能窗、柔性加熱器、可穿戴式熱療、熱觸覺和能源設備。
（文：
水生
）
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中科大劉建偉&俞書宏Adv. Mater.綜述：納米線組裝體制備柔性電子器件——最新進展和展望
基于納米線組裝體的柔性電子設備表現出優異的性能的原因主要來自四個方面: 1）有序的納米線組裝體的相互連接更加均勻充分，導電性能更加優異；2）有序的納米線組裝體具有更好的均勻性，因此其表現出來的性能不會因為測試點不同而不同，例如，具有設計的NW結構的柔性透明智能窗的均勻性遠遠高于噴涂法常規的無序的NW膜；3）基于有序納米線組裝體的柔性電子器件的性能更加容易調節和控制例如，我們知道電導率和透射率是柔性透明電極的兩個相反因素。通過操縱Ag和Te NWs的組裝，我們可以精確地調整和平衡所得柔性透明電極的透光率和電導率；4）將多種納米線有序的共組裝可以使不同納米線更好的接觸，因此可以更有效的制備柔性電子器件。
基于以上討論的概述，作者提出了對這一新興的柔性電子產品NW組裝研究領域的觀點。首先，基于納米線組裝體的柔性電子器件的批量制備需要消耗大量的納米線，，但是大規模生產NWs及其精確控制NWs的尺寸仍然是這個領域的一個重要挑戰。此外，必須關注在NW合成過程中產生的有毒廢棄產物以及高價值化學介質的回收問題。
第二，需要發展更多經濟、高效和簡單易行的納米線組裝技術。例如，通過對NW的表面進行修飾我們可以優化NW的表面性質，例如潤濕性和分散性，實現它們與其他功能材料的復合，用于具有特殊應用的柔性電子器件的制備。此外，還可以通過引入新技術如3D打印技術和仿生技術來實現新穎的納米線組長提的制備。最后，發展原位表征技術和理論模擬來獲得NW組裝機制對于理解納米線組裝過程和組裝結構的調控也是非常重的。我們相信，所有這些挑戰和機遇都可以在未來的努力中得到解決，我們可以預料在未來會出現更可靠、高效的基于NW-組裝體的柔性電子設備。
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