任何曾经在炎热的夏日将汽车停在阳光下的人都知道，玻璃窗在让阳光进入方面很棒，但在让热量散发出去方面却很糟糕。现在，杜克大学的工程师已经开发出类似窗户的智能技术，通过轻按开关，可以在从阳光中收集热量和让物体冷却之间交替。这种方法可能是 HVAC 节能的福音，仅在就有可能将能源使用量减少近 20%。
电致变色技术——通电时会改变颜色或不透明度的材料——在 10 月 14 日发表在化学学会能源快报杂志上的一篇论文中有详细介绍。
“我们已经展示了第一个可以在太阳能加热和辐射冷却之间切换的电致变色装置，”杜克大学机械工程和材料科学助理教授 Po-Chun Hsu 说。“我们的电致变色调谐方法没有任何移动部件，并且可以连续调谐。”
由电致变色玻璃制成的智能窗户是一种相对较新的技术，它使用电致变色反应将玻璃从透明变为不透明，然后在眨眼间又变回原来的状态。虽然有许多方法可以产生这种现象，但它们都涉及将电响应材料夹在两层薄电极之间并在它们之间传递电流。虽然这个技巧对于可见光来说很难实现，但当还必须考虑中红外光(辐射热)时，它变得更加困难。
在论文中，Hsu 和他的研究生 Chenxi Sui 展示了一种薄型设备，该设备可与两种光谱相互作用，同时在被动加热和冷却模式之间切换。在加热模式下，设备会变暗以吸收阳光并阻止中红外光逸出。在冷却模式下，变暗的窗户状层被清除，同时露出一面镜子，可以反射阳光并允许设备后面的中红外光消散。
由于镜子永远不会对可见光透明，因此该设备不会取代家庭或办公室的窗户，但可以用于其他建筑表面。
“要创造出能够在这两种机制中发挥作用的材料是非常困难的，”许说。“我们的设备具有有史以来最大的热辐射调谐范围之一。”
对一种新的被动加热和冷却技术的层级进行分解，该技术经过调整以与可见光和热辐射相互作用。图片来源：Po-Chun Hsu，杜克大学
设计这样的设备需要克服两个主要挑战。第一个是创建导电且对可见光和热辐射透明的电极层。大多数导电材料，例如金属、石墨和一些氧化物，都不符合要求，因为这两种特性相互矛盾，因此 Hsu 和 Sui 设计了自己的材料。
研究人员从一个原子厚的石墨烯层开始，他们发现它太薄了，无法反射或吸收任何一种类型的光。但它的导电性也不足以传输设备大规模工作所需的电量。为了解决这个限制，许和隋在石墨烯的顶部添加了一层薄薄的金网格，作为电力的高速公路。虽然这在一定程度上降低了石墨烯允许光畅通无阻的能力，但这种权衡很小，值得。
第二个挑战涉及设计一种材料，该材料可以在两个电极层之间穿行，并在吸收光和热或允许它们通过之间来回切换。研究人员通过利用一种称为等离子体的现象实现了这一点。当微小的纳米级金属颗粒彼此相距仅几纳米时，它们基本上可以根据它们的大小和间距捕获特定波长的光。但在这种情况下，纳米粒子随机分布在簇中，导致与广泛波长的相互作用，这有利于有效捕获阳光。
在演示中，通过两个电极的电流会导致金属纳米颗粒在顶部电极附近形成。这不仅黑明的装置中，它会导致吸收和捕集可见光整个装置的光与热。当电流反向时，纳米颗粒溶解回液体透明电解质中。两种状态之间的转换需要一两分钟才能完成。
“在现实世界中，设备会在一种状态或另一种状态下花费数小时，因此在转换过程中损失几分钟的效率只是杯水车薪，”许说。
要使这项技术在日常环境中有用，仍然存在许多挑战。最大的可能是增加纳米粒子在形成和分解之间循环的次数，因为原型在失去效率之前只能执行几十次转换。冷却模式的太阳反射率也有改进的空间，许希望在不久的将来可以实现亚环境冷却。
然而，随着技术的成熟，它可能会有很多应用。该技术可能应用于外墙或屋顶，以帮助加热和冷却建筑物，同时消耗很少的能量。为建筑围护结构提供使用可再生资源进行供暖和制冷的动态能力，也可以减少使用几十年来一直是碳排放的重要来源的建筑材料的机会。
“我可以设想这种技术为建筑物形成一种围护结构或立面，以被动加热和冷却它们，从而大大减少我们的暖通空调系统必须消耗的能量，”许说。“我对这项工作充满信心，认为它未来的发展方向非常有前途。”
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