“智能窗户”竟能调控车内冷暖？杜克大学最新研究：超节能！
如今，汽车已成为我们生活中不可或缺的代步工具，但车内温度容易受到室外气温的影响，尤其是炎热的夏季，把汽车停在阳光下一段时间，车内就会变成“蒸笼”。这是由于车窗玻璃可以很好地吸收阳光，但却很难将热量散发出去。
通常，空调作为“救命神器”，能够快速调节室内、汽车内的温度，创造舒适的体感环境，但大量使用空调的同时也带来了极大的能源消耗。据数据预估，随着对空调使用需求量的快速增长，到2050年，全球每年将需要增加2000吉瓦（GW）发电装机来为全球室内空调的运行提供电力，相当于美国、日本和德国三个国家当前的年耗电总量。从现在到2050 年，仅室内空调的运行就将带来高达1320亿吨二氧化碳当量（CO2e）排放，几乎将使巴黎协议将全球升温幅度控制在前工业时代水平以上2摄氏度内的气候目标化为泡影。
图：高温下的汽车
如何在高效调节冷暖温度的同时降调能源消耗，对于全球实现碳达峰而言，是一个重要的课题。
近日，发表于《journal American Chemical Society Energy Letters.》的一项研究称，杜克大学(Duke University)的工程师们已经开发出一种类似窗户的智能技术，只要轻轻拨动开关，就可以在收集阳光热量和让物体冷却之间进行模式切换。这一方法对节约HVAC（空气调节系统）能耗大有裨益，仅在美国就有可能将能源使用量减少近20%。
左图：电使装置变透明，并露出一面反射阳光的镜子，使热量散发；右图：微小的纳米粒子使装置变暗，捕捉阳光和热量。（作者：杜克大学Po-Chun Hsu）
这种新型智能技术被称为：电致变色技术。电致变色技术的原理很简单，就是在外加电场的作用下，电致变色材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)发生稳定、可逆的变化，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。电致变色玻璃一般采用典型的“三明治”结构，一个典型的电致变色器件通常会有7层，从上至下依次为玻璃、透明导电层（ITO膜）、离子存储层、电解质层、电致变色层、透明导电层，以及玻璃，这也意味着其结构上的复杂性。
图：电致变色玻璃
由电致变色玻璃制成的智能窗户是一项相对较新的技术，它利用电致变色反应将玻璃在透明与不透明之间快速转换。虽然实现这种转换的办法有很多，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。虽然对于可见光来说，这种技巧已经很难实现，但如果还要考虑中红外光（辐射热），就更难了。
杜克大学机械工程和材料科学助理教授Po-Chun Hsu表示：“我们已经展示了第一个电致变色装置，在不移动任何部件的情况下，它可以在太阳能加热和辐射冷却之间切换，具备连续可调性。”
在论文中，Hsu教授和他的研究生隋忱汐演示了这种薄型装置，该装置在被动加热和冷却模式之间切换时，可以与两种光谱相互作用。在加热模式下，该装置变暗以吸收阳光，并阻止中红外光逃逸。在冷却模式下，变暗的“窗户层”会被清除，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。
图：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。（作者：杜克大学Po-Chun Hsu）
设计“智能窗户”面临两大困难
技术成熟后可大大减少碳排放
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,设计这种装置需要客服这两大挑战：
第一个是创造能导电且对可见光和热辐射透明的电极层。因为这两种性能相互矛盾，大多数导电材料如金属、石墨和一些氧化物都不符合要求，所以Hsu教授设计研发了新的材料。
研究人员从单原子厚的石墨烯层开始，但单层石墨烯太薄，无法反射或吸收任何一种光，导电性也不足以传输设备大规模工作所需的电量。为了解决这一限制，在石墨烯顶部添加了一层薄薄的黄金网格，作为电力的高速公路。虽然一定程度上降低了石墨烯让光线畅通穿透的能力，但影响较小，值得一试。
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等离子体现象来实现这一目标。当微小的纳米级金属粒子彼此相距只有纳米级时，它们可以根据大小和间距捕获特定波长的光。但在这种情况下，纳米颗粒随机分布在团簇中，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，通过两个电极之间的电流导致金属纳米颗粒在顶部电极附近形成，使装置变暗以吸收和捕获可见光和热。当电流相反时，纳米粒子就会溶解回透明液体电解质中。这两种状态之间的转换需要一到两分钟。
目前，这项技术在日常中应用仍有许多挑战。最大的挑战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进行几十次转换。在冷却模式下的太阳反射率方面也有改进的空间，Hsu称希望在不久的将来可以实现亚环境冷却。
随着技术的成熟，这项新技术或可应用于很多场景。如在外墙或屋顶使用，在消耗少量能源的情况下为建筑供暖和制冷，也可减少传统非环保建筑材料的使用。采用这种新型智能玻璃来降低HVAC所消耗的能源，可以助力全球碳排放减少。“我对这项工作充满信心，认为它的未来方向是非常有希望的。” Hsu教授称。
本文责编：王宁宁