基于此，中山大学付俊/福州大学江献财团队开发了一种基于水凝胶的可在大范围内进行强温度调节的智能窗，该水凝胶可用于在不同气候下进行全天候建筑温度调节。热致变色聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-N，N-二甲基丙烯酰胺）水凝胶具有较低的临界转变温度，将其应用于智能窗后可在没有能量输入的情况下，全光谱的太阳能调制率高达88.84%，固有透射率高达91.30%。从冬季到夏季，在23°N到39°N的不同城市进行了模拟室内调查。

结果表明，与玻璃窗相比，智能窗在夏季具有强大的太阳能调节功能，可将室内温度降低至7.3°C，在冬季具有高效的热量节约功能，可节约达4.30 J m-3的能源。该工作为低碳经济的热变色智能窗提供了一条创新道路。该论文以" Printable Thermochromic Hydrogel-Based Smart Window for All-Weather Building Temperature Regulation in Diverse Climates"为题在Advanced Materials杂志上发表了论文

水凝胶的合成与表征

作者将亲水性单体N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）在25°C下与NIPAM原位自由基共聚（图1a），生成无规共聚物P（NIPAM co-DMAA）（PND）水凝胶。LCST（低临界共溶温度）值可以通过改变网络中的DMAA含量来调整。制备出的PND水凝胶是透明的（图1b），与由于疏水性PNIPAM链的相分离而在高于其LCST的温度下聚合的半透明PNIPAM水凝胶相反。DMAA单体增强了亲水性（水接触角34.3°，而PNIPAM为52.7°，图1e）。改进的亲水性有助于防止水凝胶在LCST以上的温度下失水。

图1 PND水凝胶的热响应太阳能调节机制

温度高于c时PND链会相变塌陷成疏水微区。因此，水凝胶智能窗变得半透明（图1h）。60 ℃时的水接触角从25 °C时的34.3°增加到61.4°（图1e）。另一方面，PND-0.2（相对于NIPAM重量的20%DMAA）水凝胶网络在60 C、孔径（d）为约60nm至535nm（图1f）。因此，PND水凝胶的尺寸参数（πd/λ，其中λ为光波长）在UV、可见光和NIR区域接近1，这在全光谱中可以有效地散射和阻挡太阳光。这是PND水凝胶智能窗高效太阳能调节的基础。

智能窗户的制备和性能

如图2所示，制备的PND智能窗在室温下是透明的，并且随着室外温度从早上8点逐渐升高到中午12点（例如，广州，6月的晴天），它会变成半透明的（图2b）。在35至45°C的PND智能窗上的相应光谱研究记录了全光谱透射率从84.54%下降到0.01%（图2c）。PND智能窗具有高辐射冷却性能（ε为0.94，45°C），有助于促进室内温度的冷却，降低建筑能耗。

图2 智能窗的制备和性能

此外PND水凝胶显示出显著的抗反射效果，增加了通过智能窗的入射光透射率。通过将PND水凝胶层夹在两片商用绿色玻璃之间，其透过率lum为85.50%，高于同一双层玻璃（空气介于其间）(79.43%）。PND水凝胶智能窗的这种有趣的抗反射效果归因于其高折射率（1.377），接近玻璃的1.517。因此水凝胶玻璃界面远低于空气玻璃界面，这显著减少了反射，并增加了透射和窗口的透明度。更重要的是，基于PND水凝胶的智能窗具有长期使用的耐久性。例如，当智能窗从冬季到夏季放置在广州户外时，其180天的体积保持率为95.94%（图2g）。

此外，由于PND智能窗通过改变环境温度在“开-关”状态之间反复循环切换并且透过率可以响应周期的温度变化。同时在100个循环期间，窗口的亮度保持其原始水平，这表明了极好的再现性（图2h）。这些结果表明，PND智能窗对于长期的建筑温度调节是耐用的。

智能窗的室外模拟测试

图3 智能窗的室外模拟测试

模拟室内试验表明，PND智能窗具有显著的透光率和太阳能调节功能，在室内温度调节和节能方面具有巨大的前景。作者了两个隔间的隔热箱（图3a），其中一个测试隔间配有PND智能窗，另一个控制隔间配有双层玻璃窗（图3b）。隔间内的温度通过内置热传感器进行监测。

当暴露在阳光下1小时时，试验室的温度变化范围为40.6至44.0°C，远低于控制室的45.8-51.6°C（图3c）。智能窗变得不透明，散射和阻挡入射的阳光，并防止局部加热。室外测试结果表明。智能窗显示出对温度下降的快速响应。例如，测试期间发生了暴雨，导致环境温度下降，PND智能窗经历了快速不透明透明过渡。结果，测试室内的温度迅速下降（图3d）。

PND智能窗具有强大的太阳能调节和可调节功能，在气候地理分布上对于建筑物温度调节和节能是高效的。为了证明这一优势，从2021 12月至2022年8月，在北京（116°E，40°N）、大连（121°E、39°N），西安（109°E和34°N）和上海（120°E，30°N）以及福州（119°E）和广州（113°E或23°N）进行了一系列模拟室内试验（图3e）。

其中，PND水凝胶在35°C下通过相分离和通过窗口散射热辐射变得不透明（图1h）。同样，智能窗在北京冬季实现了2.9°C的显著温度调节和3.76 kJ m-3的节能。在所有这些城市中，PND智能窗的隔热效果是有效的，可实现2.7-5.6°C的显著温度调节和3.51-7.52 kJ m-3的节能（图3h和3i）。这些模拟室内测试结果证明了PND智能窗在不同气候的城市中的有效热调节和突出的适用性。

智能窗的应用

作者通过3D打印在PND智能窗口中制作出精心设计的图案（图4a）。这里，PND水凝胶具有剪切变薄行为，如流变学测量所示。这种剪切变薄和快速恢复有利于将热响应PND凝胶方便地3D打印成智能窗的各种图案。通过对PND水凝胶进行图案化，太阳能调节和可见度的优势使得能够设计和制造具有多种文化元素的艺术智能窗。

网格图案可以用其他图案代替或装饰，用于文化展示和广告。在中国传统文化中，精心设计的红色基里加米被用来装饰中国春节等节日的窗户。由于凝胶的出色印刷性能，使用PND水凝胶可以打印出不同的基里加米图案。用不同染料染色的PND水凝胶被打印成各种设计图案，如红色基里加米、中国结和窗户上的熊猫（图4i）。对于不同场合具有特定需求的期望图案可以自由打印，这扩展了PND智能窗口的实用性和功能性

图4 智能窗的应用

总结：本工作开发的开发灵活的热变色智能窗，可以适应不同气候下的全天候温度调节，可能为未来建筑节能和低碳经济开辟新的途径。