第一作者：柯宇杰
通訊作者：龍祎
通訊單位：新加坡南洋理工大學
研究亮點：
1.結合可重構結構和等離子激元增強的VO2顆粒，提出了一種全新的自適應變色節能窗設計。
2.通過合適的窗花剪紙設計和增加應力輸入，該設計展現出突破性的太陽能調節能力，同時可實現全溫敏響應，或者應力和溫度雙響應。
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為什么要研究熱致變色節能窗
2018年10月8日，IPCC發布了《IPCC全球升溫1.5 ℃特別報告》。這份報告強調了將全球變暖限制在1.5 ℃而不是2 ℃或更高的溫度，可以避免的一系列氣候變化影響。節能減碳是全球迫在眉睫需要共同應對的重大課題。在許多國家，建筑消耗約占社會總能耗的30%，且呈逐年增長趨勢；其中空調通風系統占建筑總能耗的約50%，而窗戶又是建筑中最耗能的部分。
智能節能窗被認為是一種非常有前景的技術來降低建筑能耗，節能窗可以通過調節進入室內的太陽光能，即在冬季增加室內太陽光照射，夏季減少室內太陽光照射，可有效地減少空調系統能耗。熱致變色節能窗，可以響應環境溫度自動調節太陽光的透過或反射，無需外接電源，是最有前景的技術之一。
熱致變色材料研究現狀
目前二氧化釩（VO2）是被研究的最廣泛的一種熱致變色材料，然而材料本身的局限，極大限制了其太陽光能調節能力。目前提高其太陽光能調節性能的手段主要集中在納米顆粒，摻雜，結構設計，防反射涂層等傳統納米結構改性領域。然而這些手段對其性能的提升有限。
成果簡介
有鑒于此，南洋理工大學龍祎課題組聯合天普大學，湖南大學，中科院福建物構所和復旦大學的同仁，研發了一種新型的智能節能窗設計方法。該方法受傳統剪紙術的啟發，結合了具有等離子激元的VO2和可重構結構的彈性體，實現了非常高的太陽光能調節能力。
圖1（A）可重構結構和等離子激元增強的VO2協同作用的示意圖。（B-F）VO2納米顆粒表征。（G-H）VO2-PDMS復合彈性體示意圖和照片。
要點1：VO2-PDMS復合彈性體的制備
太陽能光譜廣泛的分布于紫外-可見光-近紅外（UV-vis-NIR）波段。單一基于等離子激元增強的VO2主要提供NIR的調控，而可重構結構可提供UV-vis的調控。其協同作用可有效的調控UV-vis-NIR波段，進而大幅度增強其太陽光能調控能力。為了證明該設計，研究人員將粒徑~80 nm的VO2納米顆粒分散在PDMS基質中，形成可卷曲，可拉伸的彈性體（圖1）。
該復合彈性體很好的保留了VO2納米顆粒熱致LSPR振。VO2的晶相會隨溫度變化：其納米顆粒從低溫半導體態變化為高溫金屬態，伴隨LSPR的發生。研究還發現，該復合彈性體在高溫下展現的LSPR峰位置還隨VO2納米顆粒的分散性和應力的影響。這些LSPR峰位移也很好的被模擬結果所佐證。其中，更好的VO2納米顆粒分散可以使LSPR峰從~1380 nm藍移到~1250 nm。而在拉伸作用下，應力主要集中在VO2納米顆粒和PDMS的界面，VO2納米顆?？赡芘c周圍PDMS基質發生層離，使其周圍介電常數發生變化，也造成LSPR藍移。
圖2 (A-C) 隨溫度變化的LSPR。(D-E)隨顆粒分散性變化的LSPR。(F-H) 隨應力變化的LSPR。
要點2：復合薄膜的力學性能、光學性能
該復合薄膜具有很好可裁剪性，很容易被加工成各種形狀和結構，包括可重構結構。相比于未被裁剪的，基于可重構結構的復合薄膜展現出明顯不同的力學性能，其楊氏模量和任性被明顯地降低。模擬驗證這是因為可重構結構使該復合膜擁有獨特的應力分布，使其在被拉伸狀態下依然保有非常低的局部應力。研究還證明該重構結構展現出透射光率隨被拉伸長度的增加而增加。通過分析各個波段的透射光的調節作用，研究者發現LSPR的調節主要發生在NIR波段，而可重構結構的調節發生在UV-visible波段更顯著。
圖3（A-C）復合薄膜的可裁剪性，以及裁剪后的程序化結構變換。（D-F）可重構復合薄膜的力學性能測試和模擬。（G-H）可重構復合薄膜的光學性能和分析。
要點3：智能節能窗的性能
基于該設計的智能節能窗也可以實現隨溫度變化的結構變化，該節能窗展現出很好的透射光調控能力，包括在UV-vis-NIR波段，并且在100個循環內展現出非常穩定的表現。通過其太陽能調節能力的計算結果，研究者證明該性能超過之前報道的基于VO2熱值變色手段。研究者更進一步探索了該智能節能窗的實際節能能力，發現比起被廣泛運用的普通玻璃和LowE玻璃，該智能窗在休斯頓，香港和馬德里可以表現出者富有競爭力的，或更優異的節能性能。
圖4 (A-C) 智能窗的示意圖和照片。(D-G) 智能窗的性能測試與對比。(H-I) 實際應用中該智能窗的節能效果對比。
小結
總之，該研究提出了一種智能節能窗設計的新方法，對智能節能窗的進一步發展有重要意義，同時給等離子激元研究提供一種新思路。
致謝：
該工作立足于能源，涉及廣泛學科，包括材料學，力學，光學，物理化學，以及建筑能源工程。該工作的完成離不開與新加坡南洋理工大學物理系熊啟華課題組，美國天普大學機械工程系尹杰老師課題組，湖南大學土木工程學院彭晉卿課題組，復旦大學化學系趙東元課題組，和中科院福建物構所吳少凡課題組的通力合作和支持。并感謝新加坡南洋理工大學范紅金教授為本解讀稿件賜題目。
團隊介紹：
柯宇杰 先后于武漢工程大學（2013），美國紐約州立大學布法羅分校（SUNY-Buffalo）（2015）獲得工學學士和碩士學位，現于新加坡南洋理工大學（NTU）攻讀博士學位。主要研究領域為智能窗，以及熱至變色材料的設計和應用。以第一作者在Joule, ACS Nano, Advanced Functional Materials等著名期刊上發表章。
龍祎 博士，現任新加坡南洋理工的高級講師，博士畢業于劍橋大學。她早期職業生涯成功實現兩項從實驗室到工業界轉換，包括全球第一大的硬盤公司SEAGATE TECHNOLOGY。 過去六年，她主要研究領域集中在智能玻璃和功能性薄膜材料，作為principal investigator負責的項目獲得全球華盛頓2015年度科技連接創新大獎TechConnect Innovation Award。她目前的研究興趣包括智能響應材料的應用和功能性涂層材料。先后以通訊作者在Joule, ACS Nano, Advanced Functional Materials 等著名期刊發表多篇文章以及應邀綜述。
參考文獻：
Ke Y, Long Y, et al. Adaptive ThermochromicWindows from Active Plasmonic Elastomers[J]. Joule, 2019.
DOI: 10.1016/j.joule.2018.12.024
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30630-5
