港科大团队研发自动温感双辐射同步调节智能窗，太阳辐射和远红外热辐射调控能力均超55...
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麻省理工科技评论-港科大团队研发自动温感双辐射同步调节智能窗，太阳辐射和远红外热辐射调控能力均超55%，数年内将商用
“2021 年 12 月，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院龙祎教授团队在 Science 正刊上首次发表全自动温度响应的双辐射同步调节智能窗户，这在节能窗户领域是个里程碑式的工作。
在此工作中，通过光子结构设计，龙祎团队使用二氧化钒等材料，实现了窗户 40% 的热辐射调节幅度，这是很可观的数值。但太阳辐射调节幅度只有约 10%，这就有些美中不足。这也是材料性能限制导致，二者难以兼得。若要实现两种辐射的同步大幅度调节，就必须想办法绕过材料的限制。”对于自己新论文的研究初衷，目前正在香港科技大学从事博后研究的林崇佳博士如是说道。
通过一种全新机理设计，其所在团队开发出全自动温度响应的、具有大幅度同步太阳辐射和热辐射调控的热致变色智能窗户，其双辐射调控幅度均超过 55%，获得大幅提升。此外，智能窗户的响应温度，也从此前报道中使用二氧化钒结构的 60 度高温降至此结构的 31 度室温，使其更适合实际应用。
4 月 29 日，相关论文以《用于同步调节太阳辐射和热辐射的全天候热变色窗》（All-weather thermochromic windows for synchronous solar and thermal radiation regulation）为题，发表在 Science Advances 上。第一作者为林崇佳；共同通讯作者为香港科技大学机械与航空航天工程系黄宝陵教授、姚舒怀教授、以及香港城市大学机械系多尺度能源传递实验室的李威宏教授。
林崇佳表示：“该成果的应用场景是比较直观的，各种需要维持室内人体舒适度的有窗户的空间，例如建筑、厂房、汽车等的窗户，都是适用的。在真正商用之前，我们还需要时间进行产业化优化。希望数年之内可以完成优化并推出产品。”
全新、全自动温度响应的远红外热辐射调节结构
现在市场上最好的智能节能窗户，均只能调节太阳光辐射的进出，而无法调控远红外热辐射的进出。相比于太阳光能，热辐射能虽然能量密度较弱，但却能 24 小时不间断地传输热量，其对室内节能的影响甚至要大于太阳光能。
即便如此，远红外热辐射的调控一直未被用于窗户之上，主要是受到了材料特性的限制。热辐射的光谱调控在红外隐身材料中，是非常常见的（如二氧化钒等），但它们往往是非透明的。若要应用于窗户，必须使其透明，这是实现窗户热辐射调控的一大挑战。
其次，在实现透明的同时，若能将太阳辐射调控也结合进来，将能得到一个高节能效率的智能窗户。这个理念很早就有人提出，也通过计算验证了其节能效果，但迟迟未被实现。
新加坡南洋理工大学的龙祎教授是智能窗户领域的权威专家，她所带领的团队通过 2021 年 8 月在 Nano Energy 上发表的论文，首次报道了一个通过半自动调节（温度响应+机械控制）实现了太阳辐射和热辐射同步调控的智能窗户。虽然这只是半自动调节，但第一次从实验上证实了双辐射同步调节比单辐射调节有更强的室温调节能力，从而提高节能效率。
在此项研究中，林崇佳所在团队没有使用常用的远红外热辐射调控材料二氧化钒，而是首次创造性地用水分子作为热辐射调节剂。水分子是一种十分高效的热辐射屏蔽媒介，0.05 毫米厚的水膜便可屏蔽 90% 的常温热辐射，0.1 毫米的水膜则几乎可屏蔽所有常温热辐射。
基于水分子的这种特性，利用温度响应水凝胶在低温下的水捕获和高温下的水释放机制，配合银纳米线的高太阳辐射透过性和高热反射反射性特性，该团队设计出一种全新的、全自动温度响应的远红外热辐射调节结构。同时水凝胶在温度响应下产生的内部聚合物结构性收缩和扩张，可改变太阳光的透过强度和散射性强度，从而同步调节太阳辐射的透过率。
林崇佳表示：“该工作在 Science Advances 的投稿非常顺利，仅经过一轮审稿和修改后便被接收。论文获得了审稿人的一致好评。”
“转机源于一次偶然的观察”
据悉，林崇佳在港科大最初从事的是与辐射制冷相关的研究，这是一种具有高太阳反射率和高远红外大气窗口辐射率的光学超材料。此材料强烈反射太阳辐射，同时将热辐射通过大气窗口传送至太空，使其即使在正午太阳直晒下，亦可获得低于空气的温度，可用于建筑屋顶、外墙或其他需要制冷的非透明表面。
在此研究中，材料表面的热辐射性能调节十分重要，它和太阳辐射均对物体表面温度有着显著的影响。与此同时，他留意到同为建筑外围构件的窗户，其光学性能对建筑节能亦扮演着重要角色。但现有的光学动态调控技术主要集中于太阳辐射上，而鲜有热辐射的相关报道。
缺少了热辐射的动态调节，会有两个问题：
一是窗户只有在太阳光存在时才有温度调节作用，而热辐射是无时无刻都存在的，缺少了热辐射调节则限制了窗户的节能效率；
二是太阳光是单向，只有从外到里的阳光而没有从里到外的阳光，而热辐射是双向，只有实现热辐射的动态调控才可提高窗户的气候适应性，让窗户既能“吸入热量”也能“呼出热量”，实现真正的零能耗冬暖夏凉。
窗户光学性能的动态调控技术有很多种，例如被动式温度响应（热致变色），被动式光响应（光致变色），主动式电控制或主动式机械控制等。在建筑节能这个需求上，不需要额外能源消耗的被动式响应效率更高，而其中的温度响应更是直接对应了室内温度调控的需求。因此被动式温度响应的热辐射调控配合上太阳辐射调控，可获得一款理想高效的智能节能窗户。
基于以上认识，林崇佳开始学习和阅读节能窗户相关的技术和论文，并对常用的材料进行测试。并逐渐发现热辐射动态调节在窗户应用中的缺失，一方面是缺少重视，而更重要的是材料性能上的限制。二氧化钒、水凝胶、离子液体、钙钛矿等是窗户中常用于被动式温度响应调控的功能材料，但他们的调控主要都集中在太阳辐射范围内。
二氧化钒其实是有热辐射调控特性的，但它自身的调节是负向调节，只有配合金属层的使用，才可达到热辐射的正向调节。而金属层的使用，会严重影响玻璃的透光性，因此它的调控仅被用于太阳辐射。而且二氧化钒的响应温度偏高，在 60 度左右。
尽管通过掺杂可降低响应温度，但也常会相应降低光学性能。而在其他具有热辐射温度响应的材料中，基本都存在可见光透过性差和响应温度与室温差距大的问题。因此，尽管有着理想的设计方案，却迟迟无法找到合适的解决方案。
事情的转机源于一次偶然的观察。在他使用水凝胶进行温度响应测试的时候，发现当温度升高，水凝胶收缩变白的同时，表面会有水分析出。水是一种高效的热辐射吸收介质，若把水凝胶表面做成高热辐射反射表面，结合水分子在反射表面的出现和消失，则可在热辐射的反射和吸收间形成温度响应的动态调控。
林崇佳表示，这是一个大胆的想法，此前没人使用过这种机制进行窗户的光学调控。若能实现，则可绕过材料的限制，通过微纳结构设计来达到热辐射的高效调控。这个方案让人感到兴奋，但也存在挑战。
接下来便是各种尝试和测试，课题组试了各种不同的水凝胶制作方法、不同成分配比的影响、不同的热辐射外反射材料、如何均匀镀层、如何控制水分子进出等等。这是一个漫长的过程，在加工、测试、优化间循环，经过大半年，才确定了合适的结构、材料、配方和工艺。
最终的成果也让人十分满意，成功实现了太阳辐射和热辐射调控均超过 55% 的大幅突破。温度调节测试也表明，相比普通玻璃窗户及其他节能窗户，本次窗户可在夏天维持更低的室温，而在冬天获得更高的室温。
且这种温度调节作用不止在日间做功，还能在夜间维持运作，这是此前仅有太阳辐射调节功能的节能玻璃所不具备的。计算机模拟结果表明，此窗户具有非常优异的气候适应性，从高纬度寒冷地区到热带沙漠地区，均具备调温节能作用，这也是以往的窗户难以实现的。
当然，此次窗户距离商用也还有距离，因此需要继续研究，提高它的稳定性和耐久性。不过林崇佳相信该研究本身能给节能窗户的发展，提供宝贵的参考和借鉴意义。
未来将把双辐射调节窗户做成薄膜
而让他印象比较深刻的，应该是此设计的灵感由来。该团队使用水凝胶，最初是想把它用于制作动态的辐射制冷薄膜。因为在高温状态，它是纯白色的，如果提高它的密度和厚度，课题组期望能获得足够的太阳反射率，从而应用于辐射制冷领域。
然而，尝试了各种论文里提到过的、没提到过的方法，发现都无法满足需求。一开始满怀期待，最终却无法实现，这挺令人沮丧的。直到有次看到水凝胶在收缩析出水分，想到或许可利用水分子的热辐射屏蔽特性，用于双辐射调节的节能窗户，这才打破僵局获得转机。
对于后续计划，他表示：“我们后续打算把这双辐射调节窗户，做成一种薄膜，可直接贴于玻璃之上。这样可用于老旧建筑的改造升级，具有很强的实用价值。我们已经有了初步的设计方案，正在申请项目进行尝试。”
据介绍，林崇佳是广东珠海人，本科毕业于华南农业大学土木工程系，毕业后在国外从事建筑行业工作。工作期间，因两位拥有博士学位的领导给其留下深刻印象，且发现自己对未知领域的探究十分感兴趣，按部就班的工作反而觉得枯燥无味，于是决定前往香港科技大学进行深造。
其硕士和博士均师从香港科技大学机械与航空航天工程系的黄宝陵教授，研究通过微纳光学技术，制作光学超材料，用于建筑节能领域。至今在国际著名期刊发表过多篇学术论文，包括 Science Advances、Advanced Materials、Nature Communication 等。目前在香港科技大学任职博士后研究员，同时与商业公司紧密合作，致力于研发成果的商业化。
-End-
1、Lin, C., Hur, J., Chao, C. Y., Liu, G., Yao, S., Li, W., & Huang, B. (2022). All-weather thermochromic windows for synchronous solar and thermal radiation regulation. Science Advances, 8(17), eabn7359.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7359
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