俞书宏院士团队AM：智能窗帘问世！自然光触发变形调节，实现高效太阳能管理

近年来，智能窗户作为一种能够调控建筑内部光热环境的先进技术，受到广泛关注。这类窗户利用刺激响应型变色材料，根据外界条件动态调节透光率，从而提升室内舒适度并降低能耗。然而，现有固态智能窗户因材料本身在初始状态下即具有一定着色度，导致其即便在室内温度较低时仍持续吸收太阳能，引发过度冷却与温度波动问题，限制了其在实际建筑中的大规模应用。

为此，南方科技大学俞书宏院士、中国科学技术大学刘建伟特任教授、赵斌副教授合作开发出一种新型“智能窗帘”，通过将刺激响应型变色纳米线与光热致动器相结合，实现了柔性、宏觀尺度的形变调控。该窗帘利用细菌纤维素与聚乙烯之间热膨胀系数的差异，在弱光条件下保持卷曲状态，允许阳光充分入射；而在强光下则自动展开覆盖窗户，并结合热致变色或光致变色纳米线的协同作用，进一步提升对太阳辐射的调控效率。实验表明，该窗帘可使室内温度降低超过6.0°C，其中热致变色窗帘与光致变色窗帘的太阳能调制效率分别达到62.3%与79.1%。此外，该产品可直接安装于现有窗框上，无需更换玻璃，具备良好的推广应用前景。相关论文以“Smart Curtains for Spontaneous Solar Modulation via Natural Light-Triggered Deformable Shading and Chromogenic Synergy”为题，发表在

Advanced Materials

智能窗帘具备四种动态响应模式，如图1所示。在低温或弱光环境下，窗帘保持卷曲状态，允许大部分阳光进入室内；随着光照增强，逐渐展平并覆盖整个窗户；在完全覆盖后，纳米线材料进一步因温度或光照变化而发生颜色转变，增强遮光效果。这种多阶段响应机制使其能够灵活适应复杂多变的气候条件。

图1： 智能窗帘在不同阳光强度与环境温度下表现出不同的形变与光学状态示意图。其工作阶段分为四种模式：阶段1为收缩模式，窗帘卷曲以保证充足阳光进入室内；阶段2为拉伸模式，窗帘在光照下由卷曲变为平展；阶段3为覆盖模式，窗帘完全展开覆盖窗户以阻挡阳光；阶段4为着色模式，随着光照增强与环境温度升高，变色纳米线发生热致变色或光致变色变化，进一步阻挡太阳辐射。

图2展示了智能窗帘的制备流程与基本性能。研究人员通过真空辅助过滤法将变色纳米线与细菌纤维素混合成膜，再贴合透明聚乙烯胶带，经热处理后制成具有卷曲结构的复合薄膜。不同成分的薄膜在视觉上呈现明显差异：纯细菌纤维素膜透明，含W-VO₂的膜呈棕黄色，而含WO₃₋的膜则为白色。所有窗帘厚度均匀，介于51至70微米之间，且界面粘结强度良好，具备可靠的机械耐久性。

图2： 智能窗帘的制备、组成与机械性能。（a）制备过程示意图；（b）通过真空辅助过滤组装获得的复合薄膜照片，从左至右分别为细菌纤维素/聚乙烯（BC/PE）、细菌纤维素/W-VO₂纳米线/聚乙烯（BC/W-VO₂/PE）和细菌纤维素/超细WO₃₋纳米线/聚乙烯（BC/WO₃₋/PE）复合薄膜；（c）展开状态下的智能窗帘照片（尺寸3×1 cm²），从左至右分别为细菌纤维素窗帘（BCC）、热致变色智能窗帘（TSC）和光致变色智能窗帘（PSC）；（d）样品的平均厚度；（e）基于剥离测试的粘附曲线，插图为标准180°剥离测试示意图；（f）基于标准180°剥离测试的界面韧性。

光致形变是智能窗帘的核心功能之一。如图3所示，由于聚乙烯与细菌纤维素/纳米线薄膜之间的热膨胀系数差异显著，在光照下薄膜受热后发生明显弯曲。不含光热材料的BC/PE膜几乎无变形，而含W-VO₂与WO₃₋的复合膜在30秒内弯曲角度分别超过270°与100°。窗帘的覆盖率随光照强度增加而上升，在100 mW cm⁻²光照下可在20秒内完全覆盖窗户，遮光后10秒内迅速回卷。此外，在不同温度与湿度环境下的测试表明，该窗帘在夏季强光下响应迅速，冬季则保持卷曲以最大化采光。

图3： 智能窗帘的光致形变性能。（a）BC薄膜、BC/W-VO₂薄膜、BC/超细WO₃₋薄膜和聚乙烯胶带随温度变化的热膨胀曲线；（b）BC/PE复合膜在光照下弯曲角随时间变化；（c）BC/W-VO₂/PE复合膜在光照下弯曲角随时间变化；（d）BC/WO₃₋/PE复合膜在光照下弯曲角随时间变化；（e）BCC覆盖率随时间变化；（f）TSC覆盖率随时间变化；（g）PSC覆盖率随时间变化；（h）TSC在不同温度下光照时的覆盖率变化，插图为在5°C、25°C和40°C下TSC在30秒、60秒和90秒时的光学照片；（i）PSC在不同温度下光照时的覆盖率变化，插图为在5°C、25°C和40°C下PSC在30秒、60秒和90秒时的光学照片。

除了形变调控，智能窗帘还具备优异的光学调制与冷却性能。如图4所示，聚乙烯胶带主要吸收2200–2500 nm范围的光，对整体透光率影响较小。热致变色窗帘在高温下近红外调制效率达62.2%，光致变色窗帘在强光下可见光与近红外调制效率分别达71.6%与80.4%。在实际模型中，安装智能窗帘的房屋内部温升显著低于普通玻璃窗，黑体温度仅上升约2.2–2.3°C，显示出卓越的隔热效果。

图4： 智能窗帘的变色与冷却性能。（a）玻璃、PE胶带、BCC、TSC和PSC的光学透射谱；（b）TSC在不同温度下的透射谱；（c）PSC在不同光照强度下的透射谱；（d）安装TSC（上）与PSC（下）的房屋模型在100 mW cm⁻²模拟光照下的光学图像；（e）在100 mW cm⁻²模拟光照下，安装玻璃、BCC、TSC和PSC的模型房内黑体温度变化；（f）在相同条件下，玻璃、BCC、TSC和PSC本身的温度变化。

为进一步验证其在实际环境中的性能，研究团队在不同季节对装有智能窗帘的模型房屋进行了全天监测。如图5所示，夏季中午后窗帘完全展开并变色，室内温度较普通玻璃低6.0°C以上；而在秋冬季节，窗帘多数时间保持卷曲，允许阳光充分入射，室内温差仅为1.3–2.7°C。能源模拟结果显示，在中国南方城市，智能窗帘的年节能效率可达10%–20%，部分城市甚至更高，展现出广泛的适用性与节能潜力。

图5： 智能窗帘的阳光调节与节能效果。（a,b）夏季（2023年8月1日）与冬季（2023年12月20日）安装PSC、TSC、玻璃和BCC的房屋模型在室外的光学图像；（c–e）在夏、秋、冬三季中，安装普通玻璃、BCC、TSC和PSC的模型房内黑体温度变化，图中同时提供了气象数据（环境温度、相对湿度和风速）；（f）在中国34个城市中，使用TSC和PSC的建筑年节能量；（g）TSC和PSC在中国各地区建筑中的节能效率；（h）在不同城市中，使用TSC与全固态热致变色智能窗（TSW）在制冷与采暖方面的节能量对比；（i）使用PSC与全固态光致变色智能窗（PSW）在制冷与采暖方面的节能量对比。

总结而言，这项研究通过将刺激响应型变色材料与光热致动器相结合，成功开发出具有形变与光学双重调控能力的智能窗帘。其不仅能在夏季有效阻隔太阳辐射、降低室内温度，还能在冬季最大化采光，提升建筑能效。加之安装简便、无需更换现有窗户，该技术为推动绿色建筑与可持续发展提供了新的解决方案。

来源：高分子科学前沿

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