在建筑领域，静态窗户作为能耗大户，其能耗占比高达60%，亟需通过技术创新来优化能效。特别地，通过智能窗户选择性地调节可见光与近红外光谱透射，成为实现节能建筑的重要手段。
（1）现有智能窗的能耗挑战：大多数智能窗依赖光、热或电信号来驱动其光学特性变化，这种主动调节机制需要外部能源支持，增加了系统的整体能耗。能耗问题成为制约其广泛应用的重要因素。
（2）机械变色智能窗的技术局限：机械变色智能窗具有结构简单、成本低、响应快等优势，但当前的机械变色器件在光谱选择性调制方面存在不足。
（3）仿生的开发难题：水母、章鱼等生物通过调节身体组织实现颜色和透明度的变化为智能窗设计提供了灵感，但将这些生物机制转化为实际应用中的高效机械致变色薄膜仍面临诸多技术难题，包括如何精确模拟生物体内的复杂结构变化，以及如何将具有不同光学特性的纳米材料以合适的方式组合到同一系统中以实现多波长光谱的有效调制。
基于此，南方科技大学王金龙副研究员、南方科技大学/中国科学技术大学俞书宏院士等人报道了一种创新的逐层组装技术，成功构建了基于机械致变色薄膜的智能窗，该薄膜通过集成W18O49 NW与SiO2 NPs实现了对太阳光谱中可见光与近红外光的选择性调制。
（1）材料创新：首次将W18O49 NW引入机械致变色智能窗体系，与SiO2 NPs复合后，实现了对可见光（VIS）高透射与近红外光（NIR）有效吸收的选择性调制。不仅提升了光谱调制的灵活性，还通过调节两种纳米材料的比例，实现了VIS光透过率降低与NIR光透过率增加的同时进行，确保了室内光照与温度的双重优化，具体表现为在寒冷天气中保持室内温度恒定且避免阳光刺眼。
（2）技术创新：采用大规模制备方法，实现了机械致变色薄膜的高效生产，为其商业化应用奠定了基础。该复合薄膜展现出卓越的力学与光学循环稳定性，确保了长期使用的可靠性与耐久性。纳米材料的无序排列设计不仅增强了窗户的雾度，有效保护了个人隐私，还进一步提升了整体性能表现。
SiO2纳米粒子的合成采用种子再生法，以TEOS、水和精氨酸为反应体系，在弱碱性条件下制备出SiO2种子，随后通过进一步反应获得SiO2 NPs悬浮液。通过溶剂热法合成的W18O49纳米线，具有均匀的直径和较长的长度，经离心、洗涤后分散于乙醇中。对于P-SiW薄膜的制备，采用逐层组装技术，将PDMS薄膜与SiO2 NPs和W18O49 NWs交替喷涂并固化，最终剥离得到具有多层结构的P-SiW复合薄膜，其中各层材料的喷涂量和层数可根据需要进行调整。
图1.机械变色智能窗的制造和调制机制示意图
图2. P-Si和P-W智能窗的调制机制
图3. P-SiW 薄膜的特性表征
图4. P-SiW薄膜的应用
作者采用逐层组装法，制备了12×12 cm²的力学响应智能窗。在透明状态下，该智能窗的P-3*3Si5W复合薄膜具有高可见光透过率，但贴上后能有效模糊外界景象，提供隐私保护。通过旋转立柱调节薄膜应变，可动态改变其光谱透射率，实现透明与遮光间的转换。该薄膜还展现出在显示与安全领域的潜力，如通过拉伸和释放过程可逆地隐藏与显示图像，展现了多功能应用前景。
图5.力致变色智能窗的实际制冷性能及节能模拟
实验显示，随着拉伸比例增加，配备P-3*3Si5W薄膜的模型腔黑体温度显著降低，尤其在50%拉伸下，较PDMS薄膜降低17.2 ℃。实地测试表明，P-3*3Si5W薄膜在真实环境中能有效降低室内温度和能耗。节能模拟进一步证实，在香港和开罗等气候条件下，P-3*3Si5W智能窗较商用玻璃窗显著降低总能耗，展现了其在节能领域的巨大潜力。通过逐层组装策略构建的机械变色智能窗，为智能建筑提供了有效的阳光调制和冷却解决方案。
Zhao, Fu‐Xing, et al. Bio‐inspired Mechanically Responsive Smart Windows for Visible and Near‐Infrared Multiwavelength Spectral Modulation. Adv. Mater., 2024. https://doi.org/10.1002/adma.202408192.
俞书宏，中国科学院院士。现任南方科技大学理学院院长、创新材料研究院院长、化学系/材料科学与工程系讲席教授。长期从事无机材料的仿生合成、组装及功能化应用研究。其他详见课题组网页：
https://faculty.sustech.edu.cn/?tagid=yush&iscss=1&snapid=1&orderby=date&go=1.
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