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随着建筑能耗和碳排放的持续上升，减少通过窗户——这一主要热交换通道——的能量损失已成为紧迫挑战。为通过改善窗户的隔热和光调制性能来降低建筑能耗，智能窗户技术如光致变色、电致变色和热致变色系统受到广泛关注。
其中，热致变色窗户能基于环境温度自主在透明与不透明状态间切换，无需外部能量输入，具有零能耗、多波长光调制、制备简单和成本低等优势，是建筑节能的理想选择。常见热致变色材料包括二氧化钒、液晶、钙钛矿、离子凝胶和水凝胶等，而水凝胶因其转变温度接近环境条件、成本低、柔韧性和环境兼容性好等特性尤为突出。
然而，传统水凝胶材料常存在附着力差、拉伸强度低和弹性模量不足等问题，导致其需封装在玻璃-水凝胶-玻璃夹层结构中以增强稳定性，但这又往往牺牲光学性能。因此，如何平衡水凝胶的光学性能与机械强度仍是该领域核心难题。
图1 PDH水凝胶的制备工艺及作用机理
武汉理工大学吕松研究员课题组开发了一种名为PDH的热响应水凝胶，其基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）骨架，通过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）的自由基聚合合成。
该水凝胶表现出高可见光透射率（97.92%）和卓越的太阳能调制能力（81.70%），同时具备优良的机械性能（附着力54.63 kPa、拉伸强度34.31 kPa、弹性模量约129.35 kPa），使其能直接涂覆于单层玻璃表面，无需传统夹层结构，简化了智能窗户设计。在实际建筑应用中，PDH水gel显示出显著的热调节效果，白天室内平均温度降低6.95°C，每日节能达384.04 kJ/m²。此外，研究还基于全球气候数据建立了节能与碳减排模型，评估了PDH水gel在不同气候区的适用性，为其大规模应用提供了理论支持。
图2 PDH智能窗的实际性能及节能评估
该项研究成功研制出一种高性能热响应PDH水凝胶，其通过NIPAm、DMAA和HEA的复合交联网络结构，同步实现了高可见光透射率、卓越太阳能调制能力和强机械强度，可直接应用于单层玻璃，摆脱了传统夹层封装需求。通过聚偏二氯乙烯（PVDC）薄膜封装，水凝胶的环境耐久性显著提升，服务寿命延长至264小时，且光学功能未受明显影响。
户外实验验证了其高效热调节与节能性能，室内温度最大降低6.95°C，每日节能384.04 kJ/m²。该材料还具备快速热响应（11.27秒完成转变）、高循环稳定性（1000次循环无性能损失）和长期结构完整性（180天后质量保留率93.86%）。此外，PDH水gel的宽相变温度范围使其适用于多种气候条件，全球节能与碳减排潜力模型证实其在赤道和干旱地区尤其适用。这些发现确立了PDH水gel作为下一代智能窗户材料的潜力，并为气候响应型节能建筑技术提供了重要指导。
Yang, B., Zhou, E., Lv, W. et al. Thermochromic hydrogels for synergistic mechano-optical properties and global energy saving potential. Nat Commun 16, 10080 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65071-w
