新型智能玻璃 自知冷暖

8月30日，美国咨询公司Navigant Research公布调查报告表明，用于建筑和交通工具方面的，能控制热能、光线和照射的智能玻璃，预计到2022年将从年产值8800万美元爆炸式地增长到8.99亿美元。

这个领域的研究人员也在不遗余力地为这个增长努力着，近年来，有关智能玻璃的研究成果不断推陈出新。

著名学术期刊《自然》杂志就在8月15日刊发了一项新的智能玻璃成果。美国劳伦斯伯克利国家实验室借助纳米结晶技术，在玻璃中嵌入了一层超薄纳米涂层，让玻璃变聪明。这种玻璃可以按需调整进入玻璃的光线，能做到明暗可控、冷热可调，这有可能帮助未来建筑的空调和照明支出。

研究人员表示，与现有的技术不同，他们为玻璃嵌入的超薄纳米涂层可以对可见光和产生热量的近红外光进行选择性控制，以便在不同气候条件下最大限度地保证室内的舒适性并节约能源。

这项技术的核心是一种经过重新设计的电致变色材料，它由氧化铟锡纳米晶体和嵌入在玻璃基质中氧化铌组成。这就好像让玻璃拥有了“大脑”，除了能分别控制可见光和近红外光，采用这一技术的窗户还能按需切换到遮光模式(同时屏蔽近红外光和可见光)或全明模式(让所有光线毫无阻挡地进入室内)。

此前，该研究小组做到了可以让玻璃只阻挡近红外光而让可见光通过，这一次，他们的突破在于对可见光和近红外光的独立控制。这意味着使用者能够在不增加额外热量的情况下，保证室内的采光，从而减少对空调和人工照明的依赖。

研究人员发现，纳米晶体在玻璃中微小区域的协同交互作用可增强电致变色效应，这意味着可以在不牺牲性能的前提下进一步降低涂层的厚度。最关键的是，这种纳米晶体玻璃界面的原子连接方式导致了玻璃基质结构的重排，其拓展了玻璃基体的内部空间，使电荷的移动和进出更加容易，这也为新型电池材料的研发提供了思路。而从材料设计的角度来看，他们证明了能够用在单一同质材料中增加不同材料的方式来赋予其新特性。

项目负责人迪莉娅·米莉蓉表示，在美国，人们所消耗的能源中大约有1/4是用于建筑的照明、取暖和制冷。而目前城市中大量的玻璃幕墙建筑更加需要这种新材料，提高能源使用率。

美国咨询公司Navigant Research认为，由于设计趋势的发展，智能玻璃市场也会扩大，与此同时，建筑法规会更加严格，而业主也更加重视建筑的节能性。

虽然从上世纪70年代开始，西方发达国家就先后开发了一系列节能镀膜玻璃技术。不过，当时的技术都是以适应不同环境，让玻璃起到相应的隔热或保温作用。比如热反射率超过50%的玻璃适用于热带地区的民用建筑，能显著降低夏季空调能耗;而隔热保温性能高，适用于夏凉冬暖地区。

但这些节能玻璃还无法随环境温度“自知冷暖”。这对于一些冬冷而夏热的地区的使用就有很大限制。

瑞士联邦建筑师协会A级注册建筑师张万桑在接受《中国科学报》记者采访时表示，就节能建筑的设计来说，玻璃智能化的研究可以说是一个比较热门的方向。玻璃是窗户的主要部分，其框架又是金属质地，这使得窗户成为整个建筑外立面上最薄弱的部分，也就是能量从室外到室内过渡最快的区域。“这也使得玻璃的节能设计在当下十分重要。”

从人类技术发展的历史来看，对于建筑保温隔热材料的研究通常都是不透明的部分。“因此在现代建筑设计中，墙体这些不透明部分的节能材料选择更多。”张万桑说，“并且由于这些材料的应用、成熟度高，工业标准化、安装标准化、验收标准化程度也相应比较高。”

在现代建筑中，玻璃的使用量越来越大。张万桑表示，这实际上造成了一个矛盾，在建筑上大量使用玻璃一方面造成了能量的快速损失，但另一方面也为室内争取到了能量。

这就需要让玻璃更加智能来化解这个矛盾，按需控制能量在室内外的过渡，从而保持室内的舒适温度。

近年来，让玻璃自己变聪明，使用不同环境调节光线、温度，受到很多研究者的关注。比如，2012年中科院上海硅酸盐研究所的研究团队就研制了一种智能镀膜，贴在玻璃上就可以让普通玻璃变聪明，根据环境温度变化实现光热的自动调控。

但张万桑表示，就现阶段而言，智能玻璃的应用还需要面对成本控制的问题，人们还需要在使用上考虑经济效益。