全球建筑能耗约占总能耗的40%，并产生约33%的温室气体排放。作为建筑围护结构中最薄弱的部分，窗户导致了约60%的能量损失，这与传统窗户能效不足及现代建筑高窗墙比密切相关。因此，降低建筑热负荷对于应对气候变化和实现碳中和目标至关重要。热致变色水凝胶智能窗以其零能耗和动态调光能力，成为实现建筑被动式节能的可持续解决方案。然而，H2O对近红外（NIR）能量的显著吸收，严重制约了光谱响应性能的提升。
近日，复旦大学材料科学系武利民教授团队创造性地利用同位素氘水（D2O）驱动的水凝胶智能窗体系（图1），解决了传统水凝胶近红外强吸收（43%）的核心难题，实现了接近理论极限的太阳光（300-2500 nm）透射率调制（ΔTsol=91.97%）和近红外透射调节率（ΔTNIR=91.21%）。重水比水的相对分子质量高约11%，极性低于H2O。在相同NIR辐射条件下，尽管摩尔质量相同，D2O的近红外和能量吸收能力较H2O更低。随着同位素分离技术成熟，D2O成本将持续降低。
图1. D2O基热致变色水凝胶智能窗的光谱调制。相较于普通水凝胶智能窗，D2O水凝胶智能窗的太阳光透射率调制和近红外透射调节率大幅提升。
在上海实地测试中，该智能窗夏季比环境温度低8℃，冬季升温5.6℃（图2）。此外，通过引入银纳米线（Ag NWs）复合结构设计（图3），进一步增强了长波红外发射率（8-14 µm）调控（Δε=31.89%），实现太阳光谱与红外辐射同步管理。并深入探究了D2O同位素替代对分子振动能级的调控机制，揭示了O-D键与O-H键在近红外吸收的频移规律。该同位素驱动型水凝胶智能窗在调制幅度与能效指数等关键参数上均显著超越现有热致变色器件，为建筑节能领域提供了关键技术方案。此外，研究团队指出，随着同位素分离技术成熟，重水成本将持续降低。
图2. 同位素水凝胶智能窗户外温度测试，验证了其温度自适应优势。
图3. 采用银纳米线（AgNWs）修饰技术与聚乙烯（PE）外层封装方法，实现了对可见光、近红外以及中红外全波段的调控能力，为温度自适应性提供了一个新途径。
该研究于7月29日以“Isotope-driven hydrogel smart windows for self-adaptive thermoregulation”为题在线发表在《Nature Communications》上。复旦大学材料科学系武利民教授、上海理工大学王彤特聘副研究员为通讯作者，博士生涂鸿轶为第一作者，复旦大学陈敏教授多次参与了讨论。
相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等的支持。
原文链接：Hongyi Tu, Tong Wang, Min Chen & Limin Wu, Isotope-driven hydrogel smart windows for self-adaptive thermoregulation. Nature Communications, 2025.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62432-3
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