被动加热和冷却技术的“智能窗口式”部分演示。图源：徐宝春，杜克大学。

任何一个曾经在炎热的夏天把车停在阳光下的人都知道，玻璃窗户在采光方面做得很好，但在散热方面做得很糟糕。

现在，杜克大学(DukeUniversity)的工程师们已经开发出一种类似窗户的智能技术，只要拨动开关，就可以在收集阳光热量和散热之间进行切换。这一方法对减少供暖通风与空气调节（HVAC）的能源使用量大有裨益，仅在美国就有可能将能源使用量减少近20%。

杜克大学助理教授徐宝春(Po-ChunHsu)表示:“我们已经展示了第一个可以在太阳能加热和辐射冷却之间切换的电致变色装置。我们的电致变色调谐方法没有任何移动部件，是可连续调谐的。”

由电致变色玻璃制成的智能窗口是一项相对较新的技术，它利用电致变色反应将玻璃从透明变为不透明，并瞬间将玻璃又变回透明。虽然有很多方法可以产生这种现象，但它们都需要在两层薄薄的电极之间夹一种电响应材料，并在它们之间传递电流。这一技巧对于可见光来说很难实现，在考虑到中红外光(辐射热)时就更加困难了。

徐教授和他的研究生演示了一种薄装置，该装置在被动加热和冷却模式之间切换时，可以与两种光谱相互作用。在加热模式下，该设备变暗以吸收阳光，并阻止中红外光逃逸。在冷却模式下，变暗的窗口状层会被清除，与此同时露出一面反射阳光的镜子，使设备后面的中红外光线消散。因为镜子对可见光来说从来不是透明的，所以该设备不会取代家庭或办公室的窗户，但它可能会用于其他建筑的表面。

要设计出这样的设备，需要重点克服两个挑战。第一个挑战是制造导电的电极层，它对可见光和热辐射都是透明的。大多数导电材料，如金属、石墨和一些氧化物都不符合要求，因为这两种性能相互矛盾，所以他们设计了自己的材料。

研究人员从单原子厚的石墨烯层开始，他们发现这层石墨烯太薄，无法反射或吸收任何一种光，而它的导电性也不足以传输设备大规模工作所需的电量。为了克服这一限制，他们在石墨烯上添加了一个薄的黄金网格，作为传输电力的高速公路。虽然这在一定程度上降低了石墨烯不受阻碍地通过光线的能力，但占比很小，值得一试。

第二个挑战是设计一种材料，它可以在两个电极层之间来回切换，吸收光和热，或者允许它们通过。研究人员利用一种叫做电浆子的现象来实现这一目标。当微小的纳米级金属粒子彼此相距只有纳米级时，它们可以根据自己的大小和间距捕获特定波长的光。在这种情况下，纳米颗粒随机分布在集群中，导致与广范围的波长相互作用，这有利于有效捕获阳光。

在演示中，通过两个电极的电流会使顶部电极附近形成金属纳米颗粒。这不仅会使设备变暗，且开始吸收和捕获可见光和热。当电流反过来时，纳米粒子就会溶解回透明的液体电解质中。这两种状态之间的转换需要一到两分钟。徐教授说：“在现实世界中，这个设备会在一种或另一种状态下运行好几个小时，所以在转换过程中失去几分钟的效率只是九牛一毛。”

要让这项技术在日常生活中发挥作用，仍面临许多挑战。最大的挑战是需要增加纳米粒子在形成和分解之间转换的次数。在冷却模式下的太阳反射率方面也有改进的空间，研究人员希望在不久的将来可以实现亚环境冷却。

随着技术的成熟，它可能会有很多应用。该技术可以应用于外墙或屋顶，在消耗很少能源的情况下帮助建筑供暖和制冷。这种提供建筑围护结构的动态能力，可以减少建筑材料的使用，从而降低碳排放量。

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