武汉理工大学吕松研究员《自然·通讯》：新型热致变色水凝胶智能窗户为全球建筑节能带来新方案！

随着建筑能耗和碳排放的持续攀升，窗户作为建筑能量交换的主要通道，其节能性能的提升已成为迫切挑战。传统智能窗户技术如光致变色和电致变色系统存在成本高、依赖外部能源或性能受限等问题，而热致变色窗户虽能根据环境温度自主调节透光状态，却常因水凝胶材料的机械性能不足——如附着力弱、拉伸强度低——而需采用复杂的“玻璃-水凝胶-玻璃”三明治结构，限制了其实际应用。如何在保持高透光率和太阳能调制能力的同时，提升水凝胶的机械强度，成为该领域的关键难题。

近日，武汉理工大学吕松研究员课题组研究成功开发出一种名为PDH的热响应水凝胶，基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）骨架，具备卓越的可见光透射率（97.92%）和太阳能调制能力（81.70%），并兼具优异的机械性能，可直接涂覆于单层玻璃表面，无需传统夹层结构。在实际测试中，该水凝胶窗户可实现白天室内平均降温6.95°C，每日节能达384.04 kJ/m²，并展现出快速热响应、千次循环耐久性和长期稳定性。研究还建立了全球气候耦合模型，评估其在不同气候区的节能与碳减排潜力。相关论文以“Thermochromic hydrogels for synergistic mechano-optical properties and global energy saving potential”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过自由基聚合法成功制备了PDH水凝胶，其制备过程包括将N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和2-羟乙基丙烯酸酯（HEA）在离子液体辅助下共聚形成复合交联网络。该水凝胶在低温下呈透明状态，聚合物链均匀分散于水中，形成几乎无散射界面的单相系统；当温度超过临界转变温度时，聚合物链脱水聚集形成疏水微区，其尺寸与可见光波长相当，引发Mie散射，从而使水凝胶由透明转变为不透明或乳白色。扫描电子显微镜图像直观展示了低温下均匀多孔结构与高温下致密聚集态的显著差异，验证了其热致变色机制。

图1 | PDH水凝胶的制备过程和工作机制 a. PDH水凝胶的制备流程（蓝色箭头顺时针指示各步骤）。 b. PDH水凝胶在透明状态下的实物图像，下方文字清晰可见。 c. PDH水凝胶内部交联机制示意图：I. 聚（N-异丙基丙烯酰胺）链亲水性较弱；II. 引入N,N-二甲基丙烯酰胺和2-羟乙基丙烯酸酯，通过酰胺基和羟基增强与水分子间的氢键作用，提升亲水性。 d. PDH水凝胶的热致变色机制示意图：I. 温度低于转变温度时，水凝胶处于水合溶胀状态，聚合物链均匀分布，系统透明；II. 温度高于转变温度时，聚合物链脱水聚集形成疏水微区，引发光散射，变为不透明。 e. 扫描电子显微镜图像：I. PNIPAm水凝胶内部结构；II. 透明状态下的PDH水凝胶；III. 不透明状态下的PDH水凝胶。比例尺为20 μm。

随着DMAA含量的增加，水凝胶的透光率显著提升，从纯PNIPAm的20.43%增至含0.65g DMAA时的79.11%，但过量DMAA会导致透光率提升趋于饱和并影响机械性能。温度升高时，透光率逐步下降，在55°C时仅为13.07%，且转变温度随DMAA含量增加而上升，从32°C延伸至49°C。机械测试显示，PDH水凝胶的弹性模量达129.35 kPa，显著高于普通PNIPAm水凝胶，其强度提升归因于HEA引入的羟基与DMAA和NIPAm中酰胺基团形成的强化氢键网络，傅里叶变换红外光谱中C=O和N-H吸收峰的红移进一步证实了这一点。

图2 PDH水凝胶的光-热-力学性能 a DMAA用量增加，200–2500 nm透过率由20%升至79%，随后趋于饱和。 b 实物照片：30 °C半透，50 °C乳白，冷热循环1000次可逆。 c 15–55 °C光谱：可见与近红外透过率随温度升高同步下降。 d 可见光透过率-温度曲线：DMAA越多，相变温度由32 °C抬升至49 °C。 e 应力-应变：引入HEA后弹性模量由8 kPa级升至129 kPa级。 f FTIR：C=O与N–H吸收峰红移，证实氢键网络增强。

基于上述性能，PDH智能窗户在实验室中展现出优异的光学与热响应特性：低温状态下允许大部分可见光与部分紫外线透过，同时有效阻隔近红外辐射；高温下则几乎阻挡全部太阳辐射。其热响应迅速，加热至不透明仅需11.27秒，冷却恢复透明为22.09秒。水凝胶厚度约1mm时可在高透光率与高太阳能调制能力之间取得最佳平衡。与同类材料相比，PDH窗户在透光率和调制能力方面均处于领先水平，且经1000次热循环后性能仍保持稳定，180天内质量保留率达93.86%。

图3 实验室窗口性能评价 a 原理示意：低温透可见挡红外，高温全波段屏蔽。 b 户外实拍：高温乳白、低温透明，随日照角自动切换。 c 响应时间：热水11.3 s雾化，冷水22.1 s复原。 d 厚度优化：1 mm可同时获得97.9%可见透过与81.7%太阳调制。 e 与文献对比：PDH在可见透过-太阳调制坐标中居右上角。 f 1000次冷热循环后高低温透射率几乎不变。

在实际建筑应用中，PDH水凝胶通过聚偏氯乙烯（PVDC）封装形成复合薄膜（PHPF），可见光透射率虽略降至93.85%，但耐久性显著提升，使用寿命延长至264小时。户外测试显示，封装后智能窗户可使室内平均温度较未封装组降低3.39°C，与传统单层玻璃和Low-E玻璃相比，PHPF窗户实现平均降温6.95°C，每日节能384.04 kJ/m²，相当于年节能140.16 MJ/m²，达到高效节能标准。

图4 实际建筑试验与节能测算 a 隔热小屋模型：屋顶窗为唯一换热通道。 b PDH凝胶膜（PHF）与PVDC封装膜（PHPF）结构示意。 c 封装后可见透过率由97.9%微降至93.9%。 d 连续户外测试：PHPF屋内日均温度再降3.4 °C，寿命延长至264 h。 e 未封装120 h失功，封装后失功时间倍增。 f 实拍：PHPF窗呈乳白，Low-E与普通玻璃清晰可辨。 g 温度曲线：PHPF屋内峰值43.2 °C，比单玻低8.3 °C，比Low-E再低3 °C。 h 热流积分：日节能384 kJ m⁻²，年节能约140 MJ m⁻²，达高节能级。

通过整合全球气候数据，研究团队进一步模拟了PDH水凝胶在不同地区的月度节能与碳减排潜力。结果显示，赤道核心区（如马来群岛、亚马逊盆地）月均节能达45.66 MJ/m²，低纬度外围区（如撒哈拉沙漠）为30-35 MJ/m²，中纬度过渡区（如中国北方、美国中西部）为10-20 MJ/m²，而高纬度地区（如西伯利亚）节能效果较弱。节能分布不仅受纬度影响，还与气候类型、海拔及地形密切相关，例如青藏高原地区因海拔高、冷却需求低，节能效果较同纬度平原低30-40%。

图5 2024年全球月节能与减碳潜力分布 a 全年月节能地图：赤道>40 MJ，低纬30–35 MJ，温带10–20 MJ，寒带<10 MJ。 b 全年月减碳地图：与节能分布同步，最高50 kg m⁻²以上。 c 冬季节能：高纬取暖需求高，窗口以透光保温为主，节能下降。 d 冬季减碳：热带地区仍维持10 MJ以上，寒带接近零。 e 夏季节能：撒哈拉等地峰值>40 MJ，与强烈太阳辐射同步。 f 夏季减碳：亚马逊、东南亚、北非形成三条高减碳带。

综上所述，PDH水凝胶通过其高透光、强太阳能调制与优良机械性能的协同优化，成功实现了智能窗户结构的简化与性能的提升。封装策略显著增强了其环境耐久性，户外实验验证了其有效的温控与节能效果。全球预测模型进一步表明，该材料尤其适用于赤道与干旱地区，具备广泛的气候适应性。这项研究不仅为下一代智能窗户系统提供了高性能材料方案，也为构建气候响应型、高能效建筑技术提供了重要参考。