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打开一扇能调节红外光的智能窗

墙,使我们隔离

窗子,使我们联系

我们需要更大的窗子

却不想从墙中走出

——顾城《墙和窗》


窗户,从诞生之日起,就肩负了采光的任务。随后,通风、保温、室内空间私密度等也成为窗户的功用。最早,人们通过在墙壁上开洞来实现采光和通风。

图片来自网络


西方很早就开始使用玻璃窗,玻璃镶嵌窗也是中世纪欧洲建筑的标志性特征。不过,由于当时技术水平的限制,人们只能制造小块的含有杂质的玻璃,因此当时的玻璃有着各种各样的色彩。另一方面,受到地中海沿岸的镶嵌艺术的启发,于是诞生了哥特式特有的玻璃镶嵌窗艺术。

巴黎圣母院的玻璃镶嵌窗。图片来自网络


中国到了清朝才开始使用玻璃窗,漫长的历史中,中国更多的采用纸窗,一定程度上可以保温,不完全阻隔光线可以兼顾透光性和私密性。不过,主人白天需要打开窗户采光通风,这也就阴差阳错地使得潘金莲和西门大官人相遇,二人眉目传情,这扇窗功不可没呀……(咳咳,跑题了O(∩_∩)O~)

图片来源:电视剧《水浒传》


可以说,随着材料的发展,我们对于窗户的理解一直也在发生着改变。时至今日,窗户的设计不但要兼顾采光、隔音、保温等等,还是家居中一道亮丽的风景线。


近日,荷兰埃因霍芬理工大学Michael G. Debije教授(点击查看介绍)和Albertus P. H. J. Schenning教授(点击查看介绍)在Adv. Energy Mater. 杂志上发表综述,为我们从红外线调节的角度介绍了窗户的科学设计理念。

智能窗户示意图。图片来源:Adv. Energy Mater.


近红外光(波长在700 nm到2500 nm之间的光)约占太阳到达地球总能量的50%,通过建筑材料表面吸收阳光和透过窗户的光照,是房间、汽车内部、温室等空间内部过热的主要原因。相信大家都有过在夏日进入暴晒的汽车后热浪翻滚的感受。人们对于人工制冷和制热系统的使用将对环境造成进一步影响,而制冷系统所消耗的能源将在2070年超过制热系统,并预计在2100年增加40倍。因此,控制窗户来调节太阳的热辐射,不但有利于照明,而且在建筑物冷热循环系统中也有着重要的作用。

美国建筑能源使用分布(a)及太阳光谱(b)。图片来源:Adv. Energy Mater.


文章将红外调节窗分成两大类,分别是静态调节和动态调节。


静态调节


静态调节窗户不会随外界刺激而变化,对红外线的控制是窗户的永久特性。主要设计方法包括吸收和反射两种。最简单的方法是直接吸收红外光,而更具挑战性的设计是——太阳能聚光器。可以将染料分子嵌入到玻璃中,吸收红外线后发射波长更长的“光”,这些光因为全反射被困在玻璃中,直到传播至玻璃边缘,被光伏电池收集和使用。

太阳能聚光器示意图。图片来源:Adv. Energy Mater.


胆甾型液晶材料,由于手性分子的取向性引起了红外调节窗户研究者的兴趣。当材料平行排列时,可以反射一定波长的入射光;垂直排列时,有利于光的透过;而焦点圆锥取向可以散射入射光。

液晶分子的不同取向及其光学性质。图片来源:Adv. Energy Mater.


动态调节


静态的阻碍红外光的玻璃在炎热的中东可以适用,但在四季分明的中国、美国大部分地区,人们的追求一直是“冬暖夏凉”。因此需要动态可调节的玻璃窗来选择是否反射红外光。可以通过对电场、温度、入射光的强度等响应来调节对红外光的吸收度。这就有点像在窗户里安装了一个全自动的百叶窗。

电场控制液晶排列示意图、光谱吸收及能量调控效果。图片来源:Adv. Energy Mater.


将染料分子和液晶分子与玻璃相结合,可以玩出很多花样,也促进了可调节红外光玻璃的设计和发展。很多公司已经开始这种智能窗的研究。巴斯夫研制了一种对可见光透明,对近红外光反射的静态红外反射膜。默克化学公司也开发了一种基于染料掺杂的向列型液晶智能窗,可以在电场作用下调剂对红外光的吸收度。


尽管大多数基于IR调节的“智能窗技术”仍处于研究和开发阶段,但这场关于窗的革命很快就会到来,请让我们拭目以待。


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):

Infrared Regulating Smart Window Based on Organic Materials

Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602209, DOI: 10.1002/aenm.201602209


导师介绍

Michael G. Debije

http://www.x-mol.com/university/faculty/4974

Albertus P. H. J. Schenning

http://www.x-mol.com/university/faculty/4993


(本文由小希供稿)


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