多级调节太阳光的新型热驱动卷曲智能窗

触发温度低，零功耗，相变前后产生巨大红外光透过率变化的热致变色材料二氧化钒(VO2)成为智能窗的首选材料之一。
如今，对于平面VO2薄膜智能窗已经有了成熟的研究，如降低触发温度，提高透光率，大面积制备等。
但受制于平面VO2薄膜在相变前后透光率变化的极限，其在智能窗应用中实现有效的能量管理仍是一个挑战。
近日，复旦大学材料科学系梅永丰教授与中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员等研究团队合作，由百叶窗启发，利用纳米薄膜自卷曲技术将具有可控内应力梯度的VO2薄膜在石英玻璃表面卷曲成“扇叶”，通过应变调控与温度刺激下的应变变化实现卷曲(“开”)与平面状态(“关”)切换。
这种热致形变与热致色变的协同工作方式使卷曲智能窗在太阳光调制方面取得了突破性进展。
具体实现方法如图1所示，在低温下，卷曲智能窗会保持卷起状态，暴露下层高透光的石英衬底，大幅增强太阳光透过。
高温状态下卷曲结构自发展开，遮住衬底的同时还因为相变降低了对太阳光的透过。
图1(a)低温下的卷曲智能窗宏观示意图。
(b)高温下的卷曲智能窗宏观示意图。
(c)低温下的卷曲智能窗微观示意图及相应的SEM图像。
比例尺：100μm。
(d)高温下的卷曲智能窗微观示意图及相应的SEM图像。
比例尺：100μm。
(e)低温下卷曲智能窗透光效果。
(f)高温下卷曲智能窗透光效果。
通过对薄膜沉积温度的调控，作者实现了对卷曲结构初始曲率与形变量的控制，确保了热致形变与色变能够可控协同工作。
对于卷曲智能窗，直接影响其性能的参数主要有两个，卷曲结构的排布周期(L/L*)和卷曲结构的初始曲率(K)。
如图2所示，经过对不同参数的卷曲智能窗在不同温度下的测试结果发现，实现不同温度下最大透光率变化的前提是在具有一定初始卷曲曲率下，保证卷曲结构在相变后能够完全展平。
其次是尽可能的增大L/L*，使更多的区域实现机械形变与热致色变双重调节。
经过优化，作者得到了极高的太阳光调制率(42.14%)和太阳光透过率(61.01%)。
图2(a)模拟计算不同初始曲率与卷曲图形排布周期(L/L*)下的太阳光调制率(ΔTsol)。
(b)相同排布周期，不同初始曲率卷曲智能窗在不同温度下的透光率测试结果。
K=1.45×104 m-1 (I), K=1.26×104 m-1 (Ⅱ), K=0.85×104 m-1 (Ⅲ), K=0 (VO2 NM). (c)相同初始曲率，不同排布周期的卷曲智能窗在不同温度下的透光率测试结果。
L/L*=0.87 (Ⅴ), L/L*=0.80 (Ⅳ), L/L*=0.67 (Ⅱ) (d)机械形变的循环测试结果。
(e)对比不同的基于VO2智能窗的太阳光调制率与太阳光透过率。
如图3所示，由于相变区间内不同温度可以获得对应的稳定卷曲结构曲率，卷曲智能窗实现了在可见到近红外波段的多级光控制。
基于此，卷曲智能窗就具备了在不同温度，不同气候，不同时段的自适应调节室内温度的潜力。
于是，研究团队利用全球气候数据库与模拟软件，对全球不同气候类型的典型城市中装配了卷曲智能窗，平面VO2薄膜智能窗与普通玻璃的房屋全年能耗进行了模拟。
可以很直观的发现，卷曲智能窗无论在常年炎热的环境，还是较为寒冷的环境，都具有比较优异的节能效果，而平面VO2薄膜智能窗则不适用于低温天数较多的城市。
除此之外，卷曲智能窗还可作为普通相机或红外相机的镜头保护罩，室温下可以不影响相机的基本成像，遇到高温或强辐射时，可以自动展开，反射强光，保护设备。
该工作创造性的将VO2的热致形变能力与热致色变能力结合在了一起，突破了传统平面薄膜透光率变化的极限，为新一代的高效率智能窗提供了一种可行的思路。
图3(a)单个卷曲结构实现多级光调控示意图。
(b)不同温度下卷曲智能窗透光效果图。
(c)不同温度下卷曲结构透光率测试。
(d)用于实际房屋保温测试的房屋设计图。
(e)上海夏天与冬天实际安装智能窗的房屋保温效果测试。
(f)在不同城市中安装智能窗的房屋全年节能量模拟对比。
(g)卷曲智能窗作为镜头保护罩示意图。
(h)卷曲智能窗对普通相机与红外相机在不同温度下应用的影响。
(i)卷曲智能窗与VO2薄膜作为镜头防护罩在强光照射下表面温度随时间变化的测试结果。
该成果在Nature Communications以“Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation”为题发表，复旦大学博士研究生李星和中国科学院上海硅酸盐研究所博士研究生曹翠翠为共同第一作者，中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员与复旦大学梅永丰教授为通讯作者。
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等项目的支持。
文章信息：Xing Li#, Cuicui Cao#, Chang Liu, Wenhao He, Kaibo Wu, Yang Wang, Borui Xu, Ziao Tian, Enming Song, Jizhai Cui, Gaoshan Huang, Changlin Zheng, Zengfeng Di, Xun Cao*, Yongfeng Mei*. Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation. Nature Communications, 2022, 13, 7819.https://doi.org/10.1038/s41467-022-35513-w