她是高效三波段节能玻璃首创者，今又提出新型可编制方法，实现窗户墙体的光谱选择性和...
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麻省理工科技评论-她是高效三波段节能玻璃首创者，今又提出新型可编制方法，实现窗户墙体的光谱选择性和超宽带调制
“作为年轻孩子的母亲，我非常不愿意出差。过去十年，参加国际会议的次数不超过十次。所幸，我需要任何的技术支持，仅仅一封邮件，都能得到善意的回应和有效的合作。”新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院教授龙祎表示。在同行眼中，她是研究智能窗户的集大成者。2021 年末，曾有一篇被业内誉为是领域内里程碑式的论文，发表在 Science 上。
研发新型可编制方法，有效调节可见光、太阳能和热辐射
合作，让她不断产出佳作。该团队 2/3 的论文合作老师都是“网友”。她说：“四海之内皆合作朋友。学术自由和学术圈同行之间的惺惺相惜，也是这份工作感人的部分。”
这不，凭借合抱之力，她和团队的新论文又成为 ACS Energy Letters（IF 23.1）的封面论文 [1]，题目叫《基于可切换编织表面的按需太阳和热辐射管理》（On-Demand Solar and Thermal Radiation Management Based on Switchable Interwoven Surfaces）。
其中一位审稿人评价称，该论文报告了一种可重新配置的编织表面，可以动态切换重叠序列，以实现窗户、墙壁/屋顶的频谱选择性和超宽带调制，并具有不错的频谱调制和节能性能。
在近中红外光谱中，该表面能以相反的方式进行切换，同时保持较高的可见光透过，性能超过此前报告的最佳被动辐射冷却的智能窗户，可见光透射率（Tlum = 0.50）和长波红外调制（Δε = 0.57）增加一倍以上。
该方法兼具通用性和可扩展性，针对不同需求，很容易被设计出不同的光谱选择性和超宽带调制，可用于各种频谱调制场景，比如隐形、防伪和光谱调控等。
据悉，龙祎、北卡罗来纳州立大学机械航空系副教授尹杰和浙江大学谭刚教授担任共同通讯作者；龙祎老师的博士生的柯宇杰博士担任第一作者，尹教授的博士生李艳斌博士是同一作者。
对于该论文，还有两位审稿人分别表示：“该论文展示了一种新型可编制方法，能有效调节可见光、太阳能、以及热辐射，方法新颖且性能优越。”“（这是）一种有效且通用的方法，可以通过交织表面实现可切换太阳能加热、和辐射冷却的动态建筑围护结构。这项工作在基本科学理解和现实应用之间取得了很好的平衡。”
“这可能是 ACS Energy Letters 第一张写实摄影封面”
龙祎介绍称，建筑物占全球约 51% 的电力和约 33% 的碳排放，减少建筑能耗是人类的当务之急。建筑表面从太阳中获取热量，即吸收紫外线-可见-近红外（UV-Vis- NIR) 来加热建筑。同时，建筑表面通过辐射冷却、也就是长波近红外（2.5-20μm）的形式，向寒冷的外层空间辐射热量，来实现建筑物的冷却。因此，在四季分明的国家，超宽带调制是一个技术难题。
窗户，是建筑中最不节能、也最复杂的部分，其带来的消耗占一级能源总耗 4%。2021 年，该课题组提出采用二氧化钒（VO₂）的智能材料，实现了被动调控 [2]；后又通过窗户翻转和水凝胶的相变，实现了主动调控 [3]。
尽管如此，以上方法的调控范围仍然有限，在高楼很难起作用。同时，该团队也意识到窗户和墙体，对光谱选择性要求不同：墙体屋顶相对比较简单，只需调节太阳制热和辐射致冷；窗户则需要具有额外的较高可见光透光率，以节省照明和提供可视。
而目前，依然没有一种有效、且通用的方法，来针对不同的应用提供设计规则，包括建筑窗户、墙壁/屋顶等。基于此，从纺织技术得到启发，龙祎等人开发出一种可重构的编织表面，该表面能让重叠序列进行动态切换，以实现窗户、墙壁/屋顶的光谱选择性和超宽带调制，具有良好的光谱调制和节能性能。
借助该工作，课题组提供了一种全新的可编程加热/冷却调制的技术。计算结果显示，本次制备的窗户、以及墙体的节能样品，在全球 2 到 6 气候区的性能，均优于商业建筑材料。这种设计原理可扩展并适用于交织结构、2D-3D 表面等各种材料。
龙祎表示：“该论文为 ACS Energy Letters 主编普拉尚特·卡马特（Prashant V. Kamat）教授邀请而写，最终以正封面发表。关于这张封面还有个小故事，因为经费有限，我们没法找专业团队设计，当主编邀请我们提交封面的时候，我的学生柯宇杰说他来想办法，这张封面就是在他家阳台拍的，这可能是 ACS Energy Letters 第一张写实摄影封面。”
“十分谦卑的开始”
能被誉为研究智能窗户的领军人物，靠赖于龙祎团队整整十年的积累。2011 年 10 月， 在新加坡国家科研基金支持下，该团队开始热致变色智能窗户的研究。最初几年，课题组只有一位博士和几位本科生，她形容称“可谓是十分谦卑的开始”。
早期，在组里王宁博士和刘畅博士的努力下，让小组得以快速“进军”该领域，也逐渐拿到新加坡教育部和国家科研基金的经费，得以慢慢展开更多工作。期间，课题组提出一些比较原创的概念和设计，比如仿生智能窗、水凝胶智能窗、双响应智能窗、液体智能窗、多功能智能窗等。“很多工作得到了学术界同行的认同，累计获得 11 家杂志封面以及媒体的广泛报道。”龙祎表示。
说到这里就不得不提二氧化钒薄膜，这是一个接近室温的相变材料，它的调节只限于近红外。在高低温的情况下，其能保持可见光的通过，故是一个比较理想的热质变色窗户。
但由于自身局限，它的太阳能调控非常有限。为此该团队开展了一项科研工作，并于 2014 年报道了水凝胶的热质窗户 [4]，相比二氧化钒薄膜的太阳能调控得到很大提升。但是，高温态的不透明、和材料的相对不稳定，也是它未能用于窗户涂层的一个瓶颈。
于此同时，水凝胶的大规模制备并不容易。而且，当时所有的智能窗户，只考虑了太阳能光调控，其他热传导并未考虑。鉴于水凝胶里大部分是水，而水又是自然界里热容较高的物质，于是课题组设计了一款液体玻璃 [5]。
这款玻璃既能调控光、还能储存热，可把用电高峰期的转移到相对便宜的时段。由于其液体属性，让它极其容易放大以及产业化，同时也能提供的更好的隔音效果。
目前，该项目已入围 GreenAwards 2022 London，是入选的唯一亚洲项目。该奖项于 2008 年在爱尔兰推出，旨在表彰致力于发展绿色未来的项目。
继续说回龙祎的研究历程。2018 年，课题组关注到关于辐射制冷的报道。彼时，学界把众多辐射制冷的材料用在墙体和屋顶，却从未用在玻璃上。而且更重要的一点在于，辐射制冷最好应用在热带国家里，因为这些国家没有冬季，冬季并不需要制冷。
基于此，该团队设计了一个简单实验，实验起源于龙祎的一次德国之旅，她发现德国很多窗户可以翻转过来，猜想可能是为了方便清洁。
所以，在实验中他们在玻璃两侧分别涂了一款水凝胶和一层低辐射膜 [6]。结果发现，在夏天的时候，水凝胶会自动变色，从而挡掉太阳光的透过。同时，水凝胶本身也是高辐射材料，这样就能在夏天实现阻热和辐射制冷的效果。在冬天，他们则把低辐射那边翻转出来露天放置。
此外，课题组还设计了一个鱼缸实验，在新加坡户外做了夏天的实验，并在新加坡的第一座室内冰雪中心——雪城做了冬天的模拟。就这样用一个简易的方法，同时实现了冬暖、夏凉的效果。
这里面也有个小故事，王善成博士和周洋博士申请了雪城的特别批准，必须在上午 10：30 开馆前，完成所有实验。在收好数据的第二天，雪城就因为新冠疫情关门。课题组在庆幸的同时，也非常感叹新冠对研究人员的影响。
龙祎说：“这个设计给了我们信心。我们的合作老师谭刚教授，现在在浙江大学，他帮我们做了大量系统的节能计算。通过模拟，我们进一步确认了传统智能窗户的性能指标，即可见光透过（Tlum）和太阳能调控（ΔTsol），并不足以判断窗户的节能效果。而长波红外调制（Δε）作为一个新指标，需要纳入衡量体系。”
此外，他们发现通过窗户来翻转的的技术，并不适用于高楼。最理想的调节是通过材料本身的性能来调节。于是，他们再次回到非常熟悉的二氧化钒薄膜材料。对于该材料来说，如果不做结构改变，其在长波红外范围的波长发射率比较高，因此无法实现调节温度所需的低温低辐射、以及高温高辐射的要求。
为此，课题组设计了一个法布里-珀罗谐振器，让二氧化钒薄膜可以保持原有可见光的透过、以及近红外的调节，同时还增加了长波红外的调制。龙祎说：“针对这款设计，我们申请了新加坡专利。而谭教授的节能计算，则证实了此种调控在全球不同地区，相对于商业低辐射玻璃的有效节能。”
研究中他们发现，被动调控的调节范围受到了很大限制，这是因为墙体和窗户的设计有所不同。而在本次论文中，通过学习纺织结构、以及和各种不同材料的性能，他们展示了提高调控的有效方法。
龙祎还表示：“我们长期合作的北卡罗来纳州立大学尹杰教授，是力学领域的优秀科学家，也帮我们做了大量的力学计算，确保了本次结构哪怕做成 3x3 米的大型结构，也能实现变化。”
“进一寸有一寸的欢喜”
作为一个小型课题组的代领人，龙祎颇有感慨：“研究很艰辛，颇有点一把心酸泪的感觉。因为我们是一个非常小的组，最多的时候我的组也不超过 7 个组员。永远缺经费，我们每年花大量的时间写关于科研经费的材料，一点一点、如履薄冰地撑起组里的日常。”
其次，多篇论文的投稿过程也经历了各种曲折。为了说服审稿人，他们曾写过 30 多页的辩驳回应，成功“挽救”了一些论文。
“期间承受的压力，如今已经学会消化和笑看。组里的年轻人，他们异常努力和专注，有创造力、也非常有潜力。希望他们前程似锦，同时我也很感激这些年他们帮助我成长。 最后想说：学术无止境。我们永远在推翻、改进、以求了解更多。我们穷尽一生可能也无法识得全貌，但进一寸有一寸的欢喜。”
-End-
1、Ke, Y., Li, Y., Wu, L., Wang, S., Yang, R., Yin, J., ... & Long, Y. (2022). On-Demand Solar and Thermal Radiation Management Based on Switchable Interwoven Surfaces. ACS Energy Letters, 7(5), 1758-1763.
2、Science 374 (6574), 1501-1504
3、Nano Energy 89, 106440
4、Journal of Materials Chemistry A 2 (33), 13550-13555
5、Joule 4 (11), 2458-2474
6、Nano Energy 89, 106440
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