建筑物消耗了全球超过三分之一的能量，其中用于加热和冷却的空调系统所消耗的能量约占建筑物总能耗的50%。目前建筑物的墙体已经应用了各种隔热保温材料来实现节能减排，然而建筑物的窗户除了上世纪80年代发明的Low-E玻璃窗户之外，鲜有能够工业化的节能窗户。热致变色智能窗具有被动响应温度变化、无需额外能量输入的优点，能够根据环境温度的变化动态调节进入室内的热辐射量，从而达到节能的目的，其中聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）基水凝胶智能窗的研究尤为广泛。与固态的PNIPAm凝胶智能窗相比，液态的PNIPAm微凝胶悬浮液表现出体积稳定和易于规模化生产的优势。然而目前的PNIPAm微凝胶悬浮液制备过程繁琐，往往需要通过复杂的浓缩过程和额外加入乳化剂来提高浓度并增强分散稳定性（Joule 2019, 3, 290; Joule 2020, 4, 1），同时PNIPAm微凝胶悬浮液的相变温度不易调节，无法满足多个领域的应用需求。
近日，由郑州大学杨艳宇副教授/王万杰教授团队提出了简单通用的一步法策略制备线性聚合物链/微凝胶颗粒复合物（chain/microparticle hybrids, CMH）应用于热致变色智能窗，将NIPAm和烯酸类单体（OA）通过反向原子转移自由基聚合（RATRP）的方式获得一系列高浓度且分散稳定的CMH悬浮液，在热诱导线性聚合物链的溶解-聚集和微凝胶颗粒中水的捕获-释放的协同机制下实现了智能窗的光散射调控行为和宽光谱调节能力（图1）。所构建的液态智能窗具有快速的响应性、可调控的相变温度、高可见光透过率、强太阳光调控能力和优异的循环稳定性。该制备策略易于操作，能够推广至NIPAm和多种烯酸类单体的共聚体系中，因而在节能窗的大规模生产和工业化应用中具有巨大的潜力。
热致变色智能窗具有三个重要的参数，分别为相变温度（Tc）、可见光透过率（Tlum）和太阳光调控效率（ΔTsol）。优异的热致变色智能窗户要求其具有接近室温的Tc，以及高的Tlum和ΔTsol，从而达到在炎热的夏季实现迅速响应和减少室内热辐射量的目的。本工作使用NIPAm和丙烯酸（AA）共聚的方式调控线性聚合物链/微凝胶颗粒复合物（CMH）与水之间的氢键作用，从而获得接近室温的相变温度（26.7 °C），能够在夏季对环境温度迅速做出响应从而阻挡太阳光的入射。通过一步法制备的CMH悬浮液的浓度高达6.8 wt%，在厚度仅为280 μm时，利用线性链和微凝胶颗粒的双重相变机制实现智能窗的高可见光透过率（Tlum = 91.5%）和强太阳光调控效率（ΔTsol = 85.8%）（图2A,B）。与目前所报道的凝胶智能窗相比，本工作中的Tlum和ΔTsol均处在最高水平（图2C）。在模拟实验中，配备智能窗的玻璃房其内部温度比普通玻璃房低24.5 °C（图2F,G），证明了CMH智能窗优异的光管理和室内热辐射调控能力。
图2. （A,B）P(NIPAm-co-AA)基智能窗的光调控行为；（C）智能窗的Tlum和ΔTsol与文献数值的对比；（D-E）智能窗的室内温度调控效果
微凝胶颗粒之间的静电斥力能够保证CMH悬浮液在连续相变循环、持续加热和紫外光辐射中保持优异的分散稳定性。此外，本工作所构建的智能窗具有灵活可调的相变温度，通过调节pH值来调控CMH与水之间的氢键作用，从而实现相变温度在宽范围内（27-82 °C）的灵活调控，能够满足不同应用场景的需求。
作者探究了其他烯酸类单体（如甲基丙烯酸（MAA）、3-丁烯酸（3-BA）和4-戊烯酸（4-PA）与NIPAm共聚制备液态智能窗的可行性（图3）。随着烯酸类单体碳链长度的增加，CMH与水之间的氢键作用减弱，导致CMH悬浮液的相变温度偏低。通过调整CMH悬浮液的pH值能够调整其相变温度到室温附近，所构筑的一系列智能窗的Tlum均大于87%，ΔTsol均高于80%。这一简单而通用的策略将为大规模制备智能窗户开辟一条新途径，助力实现碳减排和碳中和的目标。
图3. 一系列CMH悬浮液的制备、相变温度调控及智能窗的光调控行为
该研究以“A Facile yet Versatile Strategy to Construct Liquid Hybrid Energy-Saving Windows for Strong Solar Modulation”为题发表于Advanced Science。论文第一作者为郑州大学材料学院硕士生李纪昌，通讯作者为郑州大学材料学院杨艳宇副教授，王万杰教授为共同通讯作者。该工作获得国家自然科学基金、河南省自然科学优秀青年基金和中国博士后基金等项目的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206044
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