近年来，热变色智能窗户在提升能效和促进建筑能耗碳中和方面发挥着重要作用。然而，具有高可见光调节和结构色的热防护智能窗户报道较少。化学与化工学院鲁希华教授团队针对智能窗户的能效和功能性需求，开发了一种具有高光学透明度和结构色的热变色智能窗户。通过调控聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAm）基纳米凝胶的结构设计，成功实现了无需额外能源输入的动态太阳能调节和高可见光透过率。与传统电致变色材料不同，智能窗户通过纳米凝胶自组装形成结构色，避免了无机材料的使用，显著提升了窗户的功能性和稳定性。
热致变色智能窗户通过温度变化自动调节光学特性，尤其是太阳辐射的透过率和热传导性。随着外部温度变化，窗户的颜色或透明度会发生变化，从而有效调控室内热量进出。目前，常用的热致变色材料包括金属氧化物和热敏性聚合物。例如，二氧化钒（VO2）是一种金属氧化物，具有在特定温度下热变色的特性，广泛应用于建筑玻璃中。当温度超过68℃时，VO2从透明变为不透明，可有效阻挡热量。另一种常用材料是聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAm），它是一种热响应性聚合物，能够根据温度变化调节光学性能，且无需外部电源。
鲁希华教授团队通过精确调控亲水性和疏水性单体的比例，成功实现了聚(N-异丙基丙烯酰胺)纳米凝胶的相变温度（Tp）调节，以适应不同环境条件的需求。同时，通过调节纳米凝胶的粒径在其自组装后赋予热致变色智能窗户结构色特性，可以在不同的温度条件下调节窗户的色彩，从而提升其在建筑中的视觉效果。与传统的电致变色材料相比，这种智能窗户无需额外能源输入，即可实现高达93%的可见光透过率和67%的自适应太阳辐射调节，显著节约建筑能源消耗。相关研究成果以《具有高光学透明度和结构色彩的智能窗户》（Smart windows with high optical transparency and structural color）为题发表在《中国科学化学》（SCIENCE CHINA Chemistry），论文第一作者为化学与化工学院博士研究生吴攸同，通讯作者为化学与化工学院鲁希华教授。
图1 (A)不同厚度（2mm、5mm和10mm）的SW-PNTA94-1水凝胶智能窗户的结构色状态数字照片；(B)在28℃下，具有不同厚度的SW-PNTA94-1水凝胶智能窗户的反射光谱；(C)SW-PNTA的示意图；(D)SW-PNTA智能窗户在不同温度下的不同状态的照片
此外，研究表明，这些智能窗户在经过100次加热-冷却循环后，仍表现出优异的稳定性，且在模拟冬夏季节的测试中，能够有效实现室内温度调节，夏季热屏蔽与冬季热保温的功能均表现突出，室内温度可调节10℃，节能效果达到14.24 kJ m−3（图1）。该智能窗户的生产过程简单且易于规模化，具备良好的工业应用前景，且能够通过精确控制纳米凝胶的大小和成分，实现信息加密等附加功能。
论文链接：https://www.sciengine.com/SCC/doi/10.1007/s11426-024-2423-0?sessionid=426506983
