不列颠哥伦比亚大学姜锋、朱朋辉AFM：湿度驱动的智能调光薄膜问世，为建筑节能开辟新路径

全球建筑能耗中，照明与室内温控占比高达40%，远超工业和交通领域。传统玻璃虽能提供自然采光，却因阳光直射加剧室内升温，导致制冷能耗上升，并存在眩光、光污染及隐私隐患。现有动态调光材料多依赖电能或复杂触发机制，制造过程复杂且环境兼容性不足，亟需开发无需外部能源、可自动响应环境变化的绿色材料。

不列颠哥伦比亚大学姜锋教授、朱朋辉博士团队开发出一种湿度响应型调光薄膜，由纤维素纳米纤丝（CNF）层和聚乙烯醇-甘油（PVA-glycerol）层通过可扩展的流延法制成。该薄膜利用两层材料在湿度变化下的模量与溶胀差异，在干燥时形成褶皱表面散射光线，潮湿时恢复平整实现透光。实验表明，相比普通玻璃，其在炎热晴天使室内降温8.4°C，雨天仍保持充足采光，模拟计算显示可为美国迈阿密中型办公楼年节能7.0 MJ/m²。

智能调光的实现机制

如图1所示，薄膜的光学特性可随天气动态切换：晴天低湿时（图1c），表面褶皱使光线散射，消除眩光并提供均匀照明，同时模糊窗外视线增强隐私性（图1f）；雨天高湿时（图1d），薄膜恢复类玻璃透明度，保障采光与视野清晰。其核心设计（图1a）通过湿度调控微观褶皱结构，平衡采光、隔热与隐私需求。

图1 调光薄膜的光学特性。a) 天气自适应智能窗示意图。照片展示 b) 玻璃的眩光效应与 c) 调光薄膜的防眩光效果；d) 高湿阴天时玻璃与薄膜的透明度对比；e-f) 干燥状态下覆盖玻璃与薄膜的模型屋隐私保护效果。

制备工艺与性能优化

薄膜制备流程如图2a所示：CNF溶液浇铸干燥后覆盖PVA-甘油层，经润湿处理释放应力，干燥时CNF层快速收缩引发PVA-甘油层压缩应变，形成波长约4.5 μm的主褶皱（图2b）和纳米级次级粗糙结构（图2c）。两层间通过氢键与物理缠结紧密粘合（图2d），无分层现象。大面积薄膜（图2e）证实其可扩展性。光学测试显示，干燥状态（33% RH）下透光率仅20%（图2f），75%光线被散射；高湿环境（97% RH）透光率达80%以上（图2g），且经34次干湿循环性能稳定（图2h展示褶皱动态形成过程）。

图2 薄膜制备、形貌与光学性能。a) 制备流程示意图；b-c) 褶皱表面低倍与高倍SEM图像；d) 薄膜截面SEM图；e) 大面积薄膜实物；f) CNF膜、PVA-甘油膜及调光薄膜透光率对比；g) 34次干湿循环透光率变化；h) 干燥过程中激光衍射图样。

褶皱动力学关键

图3揭示褶皱形成/消失机制：干燥过程中CNF层脱水速度比PVA-甘油层快5倍（图3a），引发界面压缩应力。当应力超过临界值（由两层模量差异决定，公式1），CNF层屈曲形成褶皱（图3c）。湿度升至53%以上时，CNF层黏弹性变化（图3f）促使褶皱消退。通过优化成分配比（图3g-i），确定CNF含量10%、甘油含量100%时性能最佳，透光率最低且褶皱响应灵敏。

图3 褶皱形成/消失机制与性能优化。a) CNF膜与PVA-甘油膜水分蒸发曲线；b) 不同湿度下薄膜动态蒸汽吸附曲线；c) 薄膜应力痕迹SEM图；d) 不同湿度透光率；e) 薄膜杨氏模量湿度依赖性；f) QCM-D测定的黏能耗散；g-i) CNF/甘油含量对透光率与模量的影响。

实际节能效果验证

集成球测试表明（图4a-b），干燥状态下薄膜散射75%入射光，前向散射比高达13，实现高效柔光照明。应用于建筑模型后（图4c-d），薄膜覆盖的室内光照均匀度显著优于普通玻璃（照度差异仅14倍 vs 76倍）。降温测试中（图4e），薄膜通过降低近红外透射率（图4f）及散射太阳辐射，2小时内使舱内温度较普通玻璃低3.1°C。户外实测（图5c）显示，其夏季晴天使模型屋内温度平均降低8.4°C。

图4 光管理与冷却性能。a) 积分球测试的透/反射谱；b) 550 nm处透光率对比；c-d) 模型屋内光分布模拟；e) 不同覆盖材料下温升曲线；f) 300-2500 nm波段透光率对比。

图5 实际应用演示。a) 晴/雨天模型屋采光对比；b) 实时室内光照强度；c) 实时温差监测；d) 15城市办公楼年能耗；e) 全美气候区节能效果分布图。

规模化应用潜力

基于EnergyPlus的建筑能耗模拟（图5d-e）表明，该薄膜在炎热地区节能效果突出：美国坦帕市办公楼年节能3.2%，迈阿密市达7.0 MJ/m²。寒冷地区（如费尔班克斯）因采暖需求节能有限，证实其更适用于热带/亚热带气候。

总结与展望

该研究首创的湿度驱动调光薄膜，以生物基材料实现零能耗智能光热管理，为绿色建筑提供可持续解决方案。其可扩展制造、快速响应（约20分钟）及长期稳定性（＞120次循环），有望推动下一代智能窗户商业化，助力全球建筑减碳目标。

来源：高分子科学前沿

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