图1 (a)节能窗原理和(b)透明超构薄膜示意图以及(c)理想光谱
1. 导读
具有光谱选择性的透明超构薄膜在节能窗系统中展现出巨大潜力。以往研究大多集中于优化材料与厚度，以提升可见光透过率和近红外（NIR）反射率。然而，鲜有研究关注超构薄膜在玻璃不同安装位置对整体光学与热性能的影响，尤其是在对辐射冷却至关重要的中红外（MIR）波段。
针对上述问题，近日山东高等技术研究院吴小虎教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出并分析了一种五层 TiO2/Ag/TiO2/Ag/TiO2结构，并系统评估了其在两种典型安装场景下的性能，如图1所示。两种构型均保持了较高的可见光透过率（约 0.88）和有效的 NIR 反射率（约 0.98）。然而在 8–14 μm 的大气透明窗口内，两种构型表现出显著差异。其中，内侧镀膜构型具有高达 0.8 的发射率，显著高于外侧镀膜构型的平均发射率 0.01，从而展现出更优异的被动辐射冷却能力。此外，还比较了两种构型下的净辐射冷却功率以及降温效果。
研究结果表明，透明超构薄膜的位置对中红外辐射具有关键影响。将薄膜镀于玻璃内侧不仅能够保持良好的太阳调控性能，还能显著增强热耗散能力。本研究为超构薄膜在节能窗系统中的设计与应用提供了理论指导和实践参考，尤其适用于炎热地区的节能需求。
2. 研究背景
随着全球能源需求的不断增加和气候变化问题的日益加剧，建筑节能已成为实现“双碳”目标和绿色发展的关键途径。其中，窗户作为建筑外围护结构的重要组成部分，不仅关系到室内采光效果，还直接影响着建筑的隔热与散热性能，是建筑节能改造中的重点环节。
为了兼顾采光与隔热，研究人员提出了具有光谱选择性调控功能的节能窗。通过在玻璃表面镀覆透明热调控薄膜，窗体能够在可见光波段保持高透过率，满足日常采光需求，同时有效阻隔占太阳能量一半以上的近红外辐射，从而降低室内制冷负荷。在众多调控技术中，金属/介质多层薄膜因结构简单、光学性能优异而受到广泛关注。然而，现有研究主要集中于材料选择和厚度优化，而对薄膜安装位置（玻璃内侧或外侧）对整体光学和热性能的影响考虑不足。
值得注意的是，除了对可见光与近红外的调控外，中红外波段的辐射特性同样对建筑热管理至关重要。玻璃本身在8–14 μm 的大气透明窗口内具有较高发射率，能够在一定条件下实现被动辐射冷却，帮助室内热量散发。然而，当透明热调控薄膜镀覆在玻璃外侧时，其中的金属层会阻挡玻璃本身的红外辐射，显著削弱甚至抑制其散热能力。这一现象在以往节能窗研究中往往被忽视，但对于炎热地区的建筑节能效果影响深远。因此，深入研究透明薄膜在玻璃不同位置的应用效果，不仅有助于完善节能窗的设计思路，也为新型建筑节能材料和技术的推广应用提供了重要参考。
3. 创新研究
本研究设计了一种 TiO2/Ag/TiO2/Ag/TiO2超构薄膜结构。该薄膜在可见光波段的平均透过率超过0.95，满足自然采光需求；在近红外区的反射率高达0.97，有效阻隔太阳热量输入。但其自身在中红外区的辐射冷却能力有限。进一步研究发现，涂层位置对窗体性能影响显著：当薄膜镀于玻璃内侧时，不仅保持了高透光和强反射特性，还能借助玻璃本征的高发射率，将大气透明窗口内的发射率提升至0.8 以上，实现高效辐射散热；而若镀于外侧，则中红外辐射被金属层反射，散热效果大幅削弱。此外，通过电磁场分布分析揭示了这一性能差异的物理机制。
图2 所提出结构的光谱特性及电磁场分布
随后，研究人员系统分析了所提结构性能对厚度（图3）及入射角度（图4）的依赖性。结果表明，每层厚度对光学与热调控能力均有重要影响，验证了前期设计参数的合理性。此外，该结构在不同入射角下均能维持良好的光学性能：可见光透过率高、近红外阻隔强，而中红外发射率在内侧镀膜情况下几乎不受角度变化影响，展现出优异的全天候、方向稳定的辐射冷却能力。
图3 厚度对光谱响应的影响
图4 入射角度对光谱的影响
在理论研究的基础上，团队通过磁控溅射制备样品，并利用扫描电子显微镜对界面结构进行表征。在室内和室外条件下测试两种构型的热性能，结果显示内侧镀膜（Case 1）散热效果显著优于外侧（Case 2）：与普通玻璃相比，Case 1 在室内降温13.8 ℃，室外降温 5.8 ℃。实验结果与预期吻合良好。
图5 样品的SEM图及测量光谱结果
图6 室内测量系统示意图及测量结果
图7 室外测量系统示意图及测量结果
4. 应用与展望
研究团队提出的五层 TiO2/Ag/TiO2/Ag/TiO2超构薄膜，可在保证高可见光透过的同时有效阻隔近红外太阳热，并通过内侧镀膜实现中红外高发射率，实现被动辐射冷却。实验验证显示，内侧镀膜在室内外均能显著降温，展现出优异的节能潜力和工程可行性。该研究不仅为透明热调控涂层在节能窗中的最优安装策略提供了理论指导，还展示了其良好的工程可行性和广泛的应用潜力，可有效改善建筑热环境、降低能耗，尤其适用于炎热地区的绿色建筑设计。
该研究成果以“Transparent metafilms for enhanced thermal regulation in energy-efficient windows”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Biyuan Wu, Yue Ren, Xiqiao Huang, Meijie Chen, Yong Li*, Jiangtao Li, Yang Kou and Xiaohu Wu*，其中前两位为共同第一作者，中国科学院理化技术研究所李永教授和山东高等技术研究吴小虎教授为共同通讯作者。
