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建筑物能源利用效率的優(yōu)化在很大程度上主導(dǎo)了現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程，其中建筑物的照明、供暖和空調(diào)等能源系統(tǒng)占據(jù)了全球能源消耗的約40%，很多建筑物的能量會(huì)因?yàn)榻ㄖ皯襞c外界熱交換而大量浪費(fèi)掉。因此，如何通過(guò)窗戶的智能化實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的調(diào)制是建筑物熱能高效利用的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由環(huán)境溫度變化引起自身物理性質(zhì)變化的二氧化釩材料（VO2）成為實(shí)現(xiàn)窗戶智能化的重要手段之一。作為無(wú)需人工干預(yù)的自響應(yīng)智能窗，它可以保持可見光不變，僅僅隨溫度變化調(diào)節(jié)近紅外區(qū)域太陽(yáng)光透射，實(shí)現(xiàn)低溫多透光，高溫少透光。但是，二氧化釩材料的可見光透過(guò)率較低，紅外熱能的調(diào)控也同步減弱，能源管理效率的進(jìn)一步提高受到材料物理特性的制約。

12月19日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系梅永豐課題組在《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表題為《自卷曲二氧化釩納米薄膜增強(qiáng)太陽(yáng)光多級(jí)調(diào)制》（“Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation”）的文章，復(fù)旦大學(xué)博士研究生李星和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所博士研究生曹翠翠為共同第一作者，復(fù)旦大學(xué)梅永豐教授和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員為共同通訊作者，該工作得到合作者復(fù)旦大學(xué)物理系鄭長(zhǎng)林教授和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所狄增峰研究員在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料表征和數(shù)據(jù)分析方面的大力支持。

研究團(tuán)隊(duì)受到百葉窗的啟發(fā)，利用自卷曲技術(shù)將玻璃上的應(yīng)變二氧化釩薄膜脫附并卷曲成 “葉片”陣列智能窗，通過(guò)環(huán)境溫度的變化調(diào)制智能窗為完全卷曲(“開”)，半卷曲(“半開”)和平面(“關(guān)閉”)狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)自響應(yīng)智能切換，從而在全開狀態(tài)大幅提升透光率的同時(shí)，以不同的開度實(shí)現(xiàn)多程度光透過(guò)調(diào)制。智能窗工作方式如圖1所示，室溫下（a和b），玻璃表面的二氧化釩薄膜保持卷曲狀態(tài)，太陽(yáng)光中的可見光和近紅外光都能幾乎完全不受阻攔地入射到室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度和采光度。高溫下（c和d），卷曲二氧化釩薄膜因?yàn)橄嘧儗?dǎo)致的應(yīng)變變化而自動(dòng)展開，鋪平襯底遮擋太陽(yáng)光中近紅外光的透過(guò)，降低室內(nèi)光熱輻射。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作方式使低溫環(huán)境下可以通過(guò)更多的透過(guò)太陽(yáng)光輻射來(lái)進(jìn)一步節(jié)約室內(nèi)供暖和采光所需能量，而高溫下又能自發(fā)恢復(fù)熱輻射阻擋效果來(lái)減少室內(nèi)制冷的消耗。

圖1：低溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖(a)和微觀示意圖及相應(yīng)的SEM圖像(b)，高溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖(c)和微觀示意圖及相應(yīng)的SEM圖像(d)，比例尺：100μm；卷曲智能窗高低溫下的光學(xué)照片(e)及其可見光和近紅外光透光率變化(f)；卷曲智能窗和平面薄膜智能窗在不同城市中的年平均節(jié)能量模擬對(duì)比圖(g)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展的卷曲智能窗在可見到近紅外波段實(shí)現(xiàn)了隨溫度改變的多級(jí)太陽(yáng)光透過(guò)率調(diào)制(e和f)，并得到極高的太陽(yáng)光調(diào)制率（42.14%）和可見光透過(guò)率（61.01%），這使得該智能窗具備了在不同溫度，不同氣候，不同時(shí)段高效自適應(yīng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的能力。研究團(tuán)隊(duì)利用全球氣候數(shù)據(jù)庫(kù)與模擬軟件，對(duì)不同氣候類型的典型城市中裝配卷曲智能窗、平面薄膜智能窗與普通玻璃的房屋進(jìn)行了全年能耗(包括照明、供暖和制冷)的模擬(g)，由于卷曲智能窗具有比較高的太陽(yáng)光調(diào)制率以及低溫下良好的太陽(yáng)光透過(guò)率，無(wú)論在常年炎熱的環(huán)境還是四季嚴(yán)寒的環(huán)境，都具有比較優(yōu)異的節(jié)能效果。該工作將智能二氧化釩薄膜材料的熱致形變能力與熱致色變能力創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，突破了傳統(tǒng)平面薄膜難以兼顧透光率、節(jié)能效率和多環(huán)境適應(yīng)性的難點(diǎn)，為新一代的高效智能窗提供了一種新的可行性思路。

該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助和支持。

文章信息：Xing Li#, Cuicui Cao#, Chang Liu, Wenhao He, Kaibo Wu, Yang Wang, Borui Xu, Ziao Tian, Enming Song, Jizhai Cui, Gaoshan Huang, Changlin Zheng, Zengfeng Di, Xun Cao*, Yongfeng Mei*. Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation. Nature Communications, 2022, 13, 7819.

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35513-w