透過陽光明媚的窗戶射入的自然光讓人感覺非常舒適——直到你瞇著眼睛擦去額頭上的汗水。你可以關(guān)上窗簾或打開空調(diào)，但你只能面對(duì)一個(gè)黑暗的房間或不斷上漲的電費(fèi)。

40年前，人們就想出了解決這個(gè)難題的辦法——根據(jù)個(gè)人喜好調(diào)整的智能窗戶。通過使用特殊的材料來阻擋特定波長(zhǎng)的光，這些窗戶可以適應(yīng)天氣或你的個(gè)人舒適度。太熱嗎？窗戶可以著色以阻擋光線，使房間保持涼爽。太冷？色彩消失，讓溫暖的自然光加熱你的空間。想要一些隱私？有些玻璃一按開關(guān)就會(huì)變得不透光明了。

在過去的幾十年里，智能窗戶研究的進(jìn)步使這項(xiàng)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室：到 2028 年，智能玻璃的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到 75 億美元。智能窗戶的典型應(yīng)用類型已經(jīng)可以在船只、汽車和飛機(jī)上找到，并且已經(jīng)進(jìn)入部分辦公室和機(jī)場(chǎng)航站樓等建筑物。支持者表示，假設(shè)克服了一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，它們有一天可以在提高家庭能源效率方面發(fā)揮重要作用。

建筑物占美國(guó)能源消耗的 39%，其中 35% 與供暖、通風(fēng)和空調(diào)有關(guān)。因?yàn)橹悄艽皯艨梢赃x擇性地阻擋熱量或讓熱量進(jìn)入，它們可以降低這些能源需求：典型建筑物中大約 35% 的能量通過窗戶流失。

但要讓智能窗戶成為主流——并減少每個(gè)人的能源使用，那么價(jià)格需要下降。當(dāng)前設(shè)備的成本可能是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能窗戶價(jià)格的 10 倍。讓技術(shù)更便宜，甚至更智能，是研究人員非常感興趣的領(lǐng)域。

未來，材料物理學(xué)家 Claes-G?ran Granqvist 說，“除了這些智能窗戶之外，沒有任何理由在使用其他窗戶。”

智能窗戶早在手機(jī)和電視被認(rèn)為是“智能”之前就已經(jīng)出現(xiàn)了。在 1980 年代初期，來自瑞典查爾姆斯理工大學(xué)和加利福尼亞州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在集思廣益地研究制造節(jié)能建筑材料的新方法。研究人員提出了一個(gè)可以動(dòng)態(tài)改變其色調(diào)的響應(yīng)窗口的想法。作為早期研究的一部分，格蘭奎斯特在撥款申請(qǐng)中使用了“智能窗戶”一詞。這個(gè)名字一直存在——第一個(gè)智能窗戶在 1984 年實(shí)現(xiàn)了。

早在手機(jī)和電視被認(rèn)為是“智能”之前，智能窗戶就已經(jīng)出現(xiàn)了。20世紀(jì)80年代初，來自瑞典查爾默斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)和加州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的科學(xué)家們正在集體討論制造節(jié)能建筑材料的新方法。研究人員提出了一種可以動(dòng)態(tài)改變顏色的響應(yīng)式窗戶的想法。Granqvist參與了這項(xiàng)早期研究，他在一項(xiàng)撥款申請(qǐng)中使用了“智能窗戶”這個(gè)詞。這個(gè)名字被保留了下來，第一個(gè)智能窗口在1984年開花結(jié)果。

初的原型跨度只有幾厘米，玻璃可以從透明到變暗，這一壯舉是通過將玻璃、幾層材料和透明導(dǎo)體夾在一起來提供微小的電流。電壓改變了材料與光相互作用的方式——改變了被反射或吸收的波長(zhǎng)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，研究人員探索了其他可以操縱光以響應(yīng)其他提示的物質(zhì)，例如熱、紫外線和磁力。今天，使用了一系列特殊的“智能材料”，研究人員繼續(xù)研究新的材料。

這些早期的原型使用了“電致變色”材料，這意味著它們對(duì)電流或電壓的響應(yīng)是可逆的。電致變色窗口通常有五層，包括作為電極的兩層(像電池的正極和負(fù)極)和包含離子的內(nèi)部電解質(zhì)層。當(dāng)施加電壓時(shí)，帶正電的離子進(jìn)入一層，而電子進(jìn)入另一層。這種反應(yīng)產(chǎn)生了一種顏色，可以阻擋一些可見光以及熱的紅外光。這種顏色會(huì)一直保持下去，直到另一輪電壓觸發(fā)反反應(yīng)，提取電子和離子，從而使窗口再次透明。

“這就像電池一樣，”瑞典烏普薩拉大學(xué) ?ngstr?m 實(shí)驗(yàn)室的 Granqvist 說?！澳惚仨毻度胍恍┠芰縼沓潆姡憧梢员３趾荛L(zhǎng)時(shí)間?！?/p>

電致變色玻璃廣泛用于智能窗戶，已經(jīng)可以在隱私屏幕、顯示面板、船窗、飛機(jī)窗戶和一些汽車天窗中找到。某些類型的電致變色玻璃在未通電時(shí)幾乎是不透明的。在這種狀態(tài)下，玻璃的響應(yīng)材料，無論是晶滴還是其他懸浮粒子，都亂七八糟地排列著，散射光而不是讓它通過，使玻璃變得渾濁。但是用電流擊打它，液滴或晶體就會(huì)排成一列——使玻璃變得透明。

這些和其他電致變色窗戶使建筑物的居住者可以手動(dòng)控制色調(diào)水平，但需要電工正確構(gòu)建電極陣列和隨附的電線，從而使設(shè)計(jì)和安裝復(fù)雜化。這使得它的價(jià)格比其他一些智能窗戶設(shè)計(jì)要高得多。Granqvist說，另一方面，這種材料相對(duì)便宜、廉價(jià)且可擴(kuò)展的生產(chǎn)方法正在出現(xiàn)。

而且電致變色窗還有改進(jìn)的空間。研究人員繼續(xù)研究新的響應(yīng)材料，以提高效率和窗戶壽命。例如，科學(xué)家們最近在ACS Omega上報(bào)告說，與許多現(xiàn)有的電致變色窗口相比，一個(gè)含有摻雜有兩種其他金屬的氧化錫的原型可以阻擋紅外線和可見光，持續(xù)更多的開/關(guān)周期。

另一類響應(yīng)熱而變化的智能窗戶稱為熱致變色窗戶，它沒有電致變色窗戶的復(fù)雜接線或電源。材料科學(xué)家 Harlan Byker 說，一種長(zhǎng)期被研究的熱致變色材料是二氧化釩 (VO₂)，他創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)窗玻璃制造商 Pleotint 公司。

VO₂具有在更高溫度（約 68 攝氏度或 154 華氏度）下變形的能力，從而增加了反射紅外光的能力。這允許可見光繼續(xù)流入，照亮房間，同時(shí)降低進(jìn)入的熱量，保持房間涼爽。Byker 說，研究人員可以將特殊物質(zhì)混合到 VO₂中，使其在較低溫度下反射，但這會(huì)阻礙其對(duì)光的反射——使產(chǎn)品難以從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)市場(chǎng)。

下一代熱致變色窗戶可能會(huì)使用不同的材料來吸收光線而不是反射光線，從而隨著溫度的升高產(chǎn)生連續(xù)的色調(diào)，類似于電致變色窗戶。最近開發(fā)的一種物質(zhì)利用金屬離子和其他分子之間的相互作用，在外面很冷時(shí)吸收較少的紅外線和可見光，從而允許更多的熱量進(jìn)入。當(dāng)室內(nèi)更熱時(shí)，這些材料吸收更多的光，將其相關(guān)的熱量排除在外。

新加坡南洋理工大學(xué)的材料科學(xué)家Long Yi表示，每種溫度響應(yīng)材料都會(huì)在不同的溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變，并且看起來或多或少有色——而且都面臨挑戰(zhàn)。有些，例如一種稱為水凝膠的聚合物，非常擅長(zhǎng)轉(zhuǎn)移熱量，但顏色太不透明而無法透視。其他的，例如 VO₂，足夠透明以保證視野，但由于它們也不能反射熱量，所以不那么節(jié)能。

“沒有完美的材料，”Long Yi說?！拔覀冎荒転槟承?yīng)用找到完美的材料。”

一種應(yīng)用是設(shè)計(jì)不僅可以散射光而且還可以捕獲熱量的窗戶。例如，Long Yi的實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)熱致變色窗戶，它可以儲(chǔ)存一天中最陽光充足的時(shí)間收集的熱量，并在一天中較冷的時(shí)間需求和成本較低時(shí)釋放熱量。

他們可以通過將水液體（水和水凝膠的組合）放置在兩塊玻璃之間來做到這一點(diǎn)。當(dāng)溫度低于 30 攝氏度（86 華氏度）時(shí)，水凝膠內(nèi)的聚合物鏈會(huì)膨脹，從而使玻璃變得透明。超過這個(gè)閾值，鏈條像紙一樣皺縮并相互纏繞，形成一種色彩，散射近紅外光和可見光。由于混合物中的水可以保持大量熱量，因此液體液體會(huì)吸收熱量，隨著時(shí)間的推移逐漸釋放熱量。根據(jù)Long Yi 的模擬數(shù)據(jù)，與雙層玻璃相比，這可以減少 35% 的供暖、通風(fēng)和空調(diào)能源需求。

她的最新研究引入了一個(gè)雙向窗戶。2021 年在《科學(xué)》雜志上進(jìn)行了描述，Long Yi 的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種窗戶——采用節(jié)能涂層和 VO₂——它可以阻止熱量聚集的紅外光進(jìn)入建筑物，同時(shí)讓室內(nèi)熱量散發(fā)出去，從而在夏季為房間降溫。這種機(jī)制在冬天隨著溫度變冷而逆轉(zhuǎn)——這些材料讓光線進(jìn)入并防止室內(nèi)熱量散發(fā)出去。Long Yi說，與目前的商用節(jié)能玻璃涂層相比，這項(xiàng)新技術(shù)可以節(jié)省高達(dá) 15% 的能源消耗。

研究人員正在開發(fā)智能窗戶，可以在夏季阻擋熱聚集的近紅外光進(jìn)入，同時(shí)讓熱量散發(fā)出去（左）；在冬天，這些窗戶可以讓近紅外光進(jìn)入并防止室內(nèi)熱量向外輻射（右圖）?？梢姽庠谒屑竟?jié)都可以通過。圖片來源：S. WANG等人 / 《科學(xué)》2021

智能窗戶可以幫助世界在節(jié)能方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)步——但是，正如我們看到的電動(dòng)汽車等其他創(chuàng)新一樣，通往綠色未來的道路可能會(huì)有些坎坷。

《化學(xué)與生物分子工程年度評(píng)論》(The Annual Review of Chemical and biommolecular Engineering)上一篇關(guān)于智能窗材料的2016年綜述指出，智能窗的高昂價(jià)格是其向更多領(lǐng)域擴(kuò)張的主要障礙。例如，電致變色窗戶可能比節(jié)能窗戶貴幾倍，因?yàn)樗鼈兊碾娏ο到y(tǒng)復(fù)雜，安裝過程漫長(zhǎng)。雖然熱變色窗更便宜，但它們?nèi)匀槐绕胀ù皯糍F。大多數(shù)消費(fèi)者寧愿選擇更便宜的選擇，即使他們?nèi)狈χ悄艽皯魩淼哪茉葱б妗?/p>

科學(xué)家們繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，但在這一點(diǎn)上，智能窗戶的成敗在很大程度上取決于經(jīng)濟(jì)性。窗戶涂料咨詢公司 Star Science 的管理合伙人、材料科學(xué)家和電氣工程師 Carl Lampert 表示，要想讓智能窗戶大受歡迎，它們的價(jià)格需要下降。在政府退稅項(xiàng)目中加入窗戶——比如節(jié)能產(chǎn)品的“能源之星”標(biāo)志——可能會(huì)有所幫助。更好地向消費(fèi)者介紹新興技術(shù)、性能和節(jié)能，也可能提高需求。

研究正在慢慢為更簡(jiǎn)單、更便宜、更耐用的智能窗戶鋪平道路，從而降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。但消費(fèi)者可能不得不等待它們：Long Yi 估計(jì)新產(chǎn)品離開實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入市場(chǎng)可能需要 10 年的時(shí)間。

最終，這樣的窗口可能會(huì)更普遍，被動(dòng)地適應(yīng)消費(fèi)者的需求或響應(yīng)按鈕的按下——就像電視的遙控器一樣，Lampert說。他設(shè)想了一個(gè)未來，他可以要求在家得（Home Depot）寶安裝一個(gè)智能窗戶，而不會(huì)引起工人的困惑。其他研究人員也同意：

“動(dòng)態(tài)窗戶是不可避免的，”Byker說。“這里有很多初生的痛苦。”

本文作者：Brittney J. Miller

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