智能窗在調(diào)節(jié)陽光和能源管理方面顯示出強大的潛力，根據(jù)調(diào)節(jié)機制常分為電致變色智能窗、光致變色智能窗和熱致變色智能窗，其中熱致變色智能窗響應(yīng)外部溫度變化，無需額外施加能量，具有更實際的研究意義。目前常見的熱致變色材料有可相變的無機二氧化釩、鈣鈦礦和有機液晶等，但是仍沒有一個可以同時擁有可調(diào)熱響應(yīng)溫度、高柔韌性、寬調(diào)節(jié)度和主動響應(yīng)性的體系。
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張秋紅副教授、賈敘東教授和斯坦福鮑哲南教授提出了一種基于多臂苯氨基甲基倍半硅氧烷（南大-42 POSS，Macromolecules,2011, 44 , 550-557）交聯(lián)的聚環(huán)氧乙烷/聚環(huán)氧丙烷（PEO/PPO）的新型水凝膠，該水凝膠具有智能窗材料所需的多種特性。此外，通過摻入微量的金納米棒，水凝膠可根據(jù)光照變化來更加迅速地自發(fā)調(diào)節(jié)透過率。同時，該材料的高韌性和高拉伸性（10000％應(yīng)變）也為將來其在可穿戴柔性器件中的應(yīng)用提供了可能。
為了實現(xiàn)智能窗的高柔韌性、寬可調(diào)性和自調(diào)節(jié)能力，研究人員設(shè)計了一系列基于PEO/PPO的熱致相變聚氨酯水凝膠（圖1）。該水凝膠的軟段PEO/PPO在水中因分子量和嵌段比例的不同，表現(xiàn)出一定范圍的最低共溶溫度（LCST）。將異佛爾酮二異氰酸酯和1,4-丁二醇作為硬段和擴鏈劑，可以制備出具有不同微相分離形態(tài)的聚氨酯。通過調(diào)節(jié)南大-42 POSS的含量，可以進(jìn)一步調(diào)整智能窗的機械性能和熱響應(yīng)溫度。
圖1. 基于POSS交聯(lián)的含PPG-PEG-PPG嵌段共聚物的聚氨酯水凝膠化學(xué)結(jié)構(gòu)
研究人員測定了不同交聯(lián)度的水凝膠隨溫度變化的透過率，其中水凝膠POSS-0.2的LCST約為30℃，貼近智能窗的熱致變色溫度要求。該水凝膠在水中用手指觸碰即可變色，進(jìn)一步測定了水凝膠POSS-0.2在不同波段的光調(diào)節(jié)能力（ΔTlum=83.3%, ΔTIR=49.1%, ΔTsolar=58.2%），并且測得水凝膠POSS-0.2在300個冷熱循環(huán)中保持了相變的穩(wěn)定性。（圖2）
圖2. 不同組分水凝膠的熱致相變、力學(xué)性能和光調(diào)節(jié)能力比較
為了讓水凝膠材料能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為熱能，具備自主熱響應(yīng)能力，研究人員將極微量的金納米棒分散在水凝膠基體中，該復(fù)合材料的相變行為在日光下變得很明顯。使用紅外熱像儀監(jiān)控其隨太陽輻射持續(xù)時間的溫度變化，與對照樣品相比，具有金納米棒的樣品顯示出更快的加熱速率。（圖3）
圖3. 摻入金納米棒后水凝膠的熱致相變性能
POSS-PEO/PPO交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)顯示出非常高的可拉伸性，斷裂應(yīng)變約為6000％， 當(dāng)將其完全溶脹為水凝膠時，可拉伸性進(jìn)一步提高，最大應(yīng)變超過10000％，同時水凝膠還顯示出非常好的彈性。此外研究人員發(fā)現(xiàn)水凝膠拉伸至100％，仍有明顯的熱致相變行為，測定了水凝膠拉伸50％時ΔTsolar=60％，表明該水凝膠有望用于有應(yīng)變的曲面場景。（圖4）此外，研究人員研究了水凝膠樣品在加熱的可拉伸電路表面的透明度變化。
圖4. 水凝膠POSS-0.2的拉伸性能和拉伸狀態(tài)下的熱致相變性能
相關(guān)成果以“Ultra-Compliant and Tough Thermochromic Polymer for Self-Regulated Smart Windows”為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上（Advanced Functional Materials, 2021，2100686）。張秋紅副教授和斯坦福大學(xué)蔣圓聞博士為論文的共同第一作者，化學(xué)化工學(xué)院陳俐佟同學(xué)在智能窗調(diào)節(jié)和測量方面做了大量工作。張秋紅副教授、賈敘東教授和斯坦福大學(xué)鮑哲南教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22075130）以及中央高？蒲袠I(yè)務(wù)費的資助。高性能高分子材料與技術(shù)教育部重點實驗室以及配位化學(xué)國家重點實驗室在本項目研究中給予了大力支持。南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院陸延青教授課題組陳偉博士、馬超群同學(xué)在實驗樣品的光學(xué)測量給予了建議和幫助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100686
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