美国宾夕法尼亚大学的Yang Shu团队综述：智能响应窗户里的聚合物复合材料！

来源：高分子科学前沿

智能窗户，一听这名字就特别“高大上”。

窗户智能以后会怎么样呢？

那肯定使内外环境温度、光照和通风情况实现智能调控。

那应该怎么实现窗户的智能呢？

研究者以采取多种策略措施，使得窗户的透明度和隔热性能随环境的变化而变化。例如，引入功能性无机纳米粒子（Nanoparticles, NPs），包括量子点（Quantum dots, QDs），金属纳米粒子和刺激响应化合物等。其中，贵金属纳米粒子，如银（Ag）和金（Au）粒子受到入射光刺激，产生对光的选择性吸收，通过调整纳米粒子的长径比，将产生不同的共振吸收特性。此外，具有刺激响应性的金属氧化物，如氧化镍（NiO）,三氧化钨（WO3）和氧化钒（VO2）等的光透过率或颜色可通过外部刺激进行调节，包括电场、光和温度等。然后，上述纳米粒子虽具有优异的性能，有望应用于智能窗户材料领域，但其本身加工性能差，稳定性不足。研究者通常将其与聚合物基体结合，制备高性能聚合物复合材料，结合二者各自的优点，开展了大量的研究工作。

基于此背景，近日，美国宾夕法尼亚大学的Yang Shu教授团队在国际著名刊物《Advanced Functional Materials》上发表了名为“Responsive Smart Windows from Nanoparticle-Polymer Composites”的进展报告。研究者综述了基于电驱动、热驱动和机械驱动的响应性智能窗户材料的研究进展，此外，该类聚合物复合材料还具有其他优异性能，如柔性、可拉伸性和化学稳定性等。

电响应智能窗户材料

如图1所示，Cai等[1]制备了CeO2/TiO2为电荷储存层，WO3/PEDOT:PSS为电致变色层的智能窗户器件，该器件具有较大的光学调制（633 nm处大于70%）、快速的响应速率（12.7/15.8 s）、高的着色效率（108.9 cm2C-1）和循环稳定性，具有一定的应用前景。

图1. CeO2/TiO2和WO3/PEDOT:PSS组成的智能窗户材料表征[1].

热响应智能窗户材料

如图2所示，Wang等[2]制备了一种聚合物微凝胶PNIPAAm，将其分散于水-醇的混合溶剂，低温下由于体系中较强的氢键作用，PNIPAAm的溶解度较大，体系呈现良好的光学透过性，当外界热刺激时，体系氢键作用减弱，PNIPAAm的溶解度下降，体系透明度大幅下降，实现了热响应智能窗户材料的要求。

图2. 基于PNIPAAm微凝胶的智能窗户性能表征[2]. 

机械响应智能窗户材料

如图3所示，Kim等[3] 将二氧化硅微球填充PDMS制备复合材料，在外力拉伸后，复合材料将产生应力发白现象，此时，材料整体的透明度下降，应力释放后，材料透明度提高，实现了光学性能通过机械力的刺激响应和智能化。

图3. SiO2/PDMS复合材料的机械刺激智能窗户材料表征[3].

研究者对于上述三种制备得到响应性智能窗户材料策略进行横向对比，显然，电和热响应智能窗户材料的研究最为广泛，但对于大规模工业生产，机械响应智能窗户材料具有无可比拟的优势。此外，面对目前可穿戴器件的制备需要，未来的智能窗户材料将往可拉伸、可折叠等领域发展前进。

参考文献：

[1] G. Cai, P. Darmawan, X. Cheng, P. S. Lee, Adv. Energy Mater. 2017,7, 1602598.

[2] M. Wang, Y.Gao, C. Cao, K. Chen, Y. Wen, D. Fang, L. Li, X. Guo,Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53,18462.

[3] H.-N. Kim, D.Ge, E. Lee, S. Yang, Adv. Mater. 2018, 30,1803847.

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