Adv. Mater.：按需采光“智能窗”

窗户对于建筑物的采光、通风、节能等多个方面具有重要作用。如果建筑物的窗户能按需调控光线的透过率，一方面会让家居更智能更舒适，一方面还能减少制热制冷的能量消耗，更加环保节能。同时，实现材料透光性的可调控，在柔性太阳能电池、可穿戴生物传感器、可弯曲医疗器件等领域有着广泛的应用需求。目前能够对光、电、磁以及温度等外界刺激具有响应性的悬浮粒子、变色材料、聚合物液晶等智能材料体系已被广泛用于智能窗户的应用研究中，但是这些系统往往构造复杂，想要简便地实现材料体系透明度的大幅调控仍然是一项挑战。

近日，美国宾夕法尼亚大学Shu Yang教授（点击查看介绍）通过在柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底嵌入二氧化硅纳米粒子结合软硬复合体系表面起皱技术，简便构筑了透光度可调控的复合膜材料。通过优化设计表面皱纹形貌以及无机纳米粒子尺寸，该机械力响应性复合膜材料在“智能窗”应用中展现出卓越的实用性；可在较小的形变条件下（＜10%）实现其透光率的大范围调控。

复合膜材料的构筑过程示意图。图片来源：Adv. Mater.

研究人员首先在聚苯乙烯（PS）基底自组装二氧化硅纳米粒子（NPs），然后在其表面浇铸PDMS（预聚体+交联剂）并加入固化，得到底部嵌有NPs的柔性PDMS复合基底。将该PDMS基底预拉伸一定形变（10%或20%），表面进行氧等离子处理后释放预拉伸，表面形成正弦状皱纹形貌。

不同拉伸应变下膜材料的透光性变化。图片来源：Adv. Mater.

该柔性复合膜材料在不同的拉伸应变条件下展现出不同的透光性（λ = 550 nm）变化趋势。对于预拉伸形变10%制备的复合膜材料（NPs 200 nm）：在拉伸应变＜10%时，随着拉伸形变的增加，材料透光度线性增加，在拉伸应变10%（表面皱纹形貌消失）时透光度达到最大值86.4%；随后继续增加拉伸应变（10%~20%），底部NPs产生分离导致在NPs周围产生纳米空洞诱发裂纹生成，导致透光率逐步降低；进而增加拉伸应变（＞20%），由于垂直方向压缩应力的引入导致复合材料体系表面生成二级皱纹形貌，导致其透光率进一步降低。

预拉伸形变及NPs尺寸对材料透光调控性能的影响。图片来源：Adv. Mater.

同时，研究表明复合材料体系制备过程中的预拉伸率、NPs尺寸等因素对复合材料体系的透光率机械力响应性都有显著影响。其中，10%预拉伸、200 nm NPs体系能够实现透光率（λ = 550 nm）从60.5%→86.4%→39.7%的循环调控；20%预拉伸、200 nm NPs体系能够实现透光率（λ = 550 nm）从36.9%↔71.5%的循环调控。嵌入纳米粒子尺寸为200 nm及250 nm 时，复合膜体系具有较优异的透光率机械力响应性。除了在建筑、汽车等领域的应用之外，该复合膜体系还可用做光学智能材料，具有良好的应用前景。

复合膜材料作为智能透光材料的应用展示。图片来源：Adv. Mater.

——总结——

该论文基于在聚合物基底嵌入无机纳米粒子结合表面起皱技术简便构筑了具有机械力响应性的智能复合材料体系。相比于以往报道，该智能材料体系在拉伸应变条件下展现出多重透光性变化且具有高灵敏度。该柔性智能复合材料在建筑百叶窗、汽车窗户等领域具有广阔的应用前景，同时为新一代机械力响应性光学智能材料的设计提供了借鉴。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Multistate and On-Demand Smart Windows

Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201803847

导师介绍

Shu Yang

http://www.x-mol.com/university/faculty/49647