课题组博士生徐刚在国际知名期刊Advanced Functional Materials以“Thermochromic Hydrogels with Dynamic Solar Modulation and Regulatable Critical Response Temperature for Energy-Saving Smart Windows”为题发表学术论文，报道了一种热致变色水凝胶的设计与制备，并将其用于智能窗户领域。
为了减少建筑能源的消耗，人们提出了许多减排策略，智能窗户应运而生，当前研究最多的智能窗户技术集中在电致变色（电响应）、光致变色（光响应）和热致变色（热响应）上，而其中热致变色技术被认为是上述智能窗户技术中最具有成本效益且易于实施的一种方案。近些年间，水凝胶材料被广泛应用在热致变色智能窗户领域中，但其较低的透光率、慢的响应速率以及较窄的温度响应区间严格限制了其应用。
本文首次开发了一系列响应型水凝胶，该水凝胶具有高透光率、快速热响应速率和宽响应温度范围（20-50℃）。主要设计原理如图1 所示，丙烯酰胺(AAm)通过N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)共价交联以提供永久聚合物网络，而C18单元的烷基链聚合形成动态疏水缔合，与此同时，选择阴离子表面活性剂SDS作为热/pH响应单元，它是胶束形成的关键，而胶束可以对入射太阳光进行散射，从而改变水凝胶对光的透射率。
通过调节C18和SDS之间的动态疏水缔合，并调节无机盐的种类和含量，所制备的水凝胶表现出了优异的太阳能调节能力( Tlum=99.05%，△Tsol =33.42%）、双重响应(热和pH)和可调Tk (20-50℃)。此外，通过将水凝胶前驱体溶液注入夹层玻璃中原位凝胶制备出智能窗户，其可以在不影响可见光透过率的情况下，在透明状态下阻挡大部分红外辐射，白天降温性能高达6.1℃，当夜间环境温度降至Tk以下时，窗户又变得不透明以保护室内隐私，显示了该凝胶在未来智能建筑上的巨大应用潜力。此外，该水凝胶还可用作温度计，该凝胶可以精确监测人体温度并通过透明度改变来显示人体健康状况。
东南大学材料科学与工程学院为本文第一完成单位，佘伟教授、章炜副教授和孙正明教授为共同通讯作者。该工作得到了江苏省自然科学基金、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
Xu, Gang, Huan Xia, Pengyu Chen, Wei She*, Hanning Zhang, Jing Ma, Qiushi Ruan, Wei Zhang*, and Zhengming Sun*. 2021. Thermochromic Hydrogels with Dynamic Solar Modulation and Regulatable Critical Response Temperature for Energy‐Saving Smart Windows. Advanced Functional Materials. Advanced Functional Materials: 2109597. doi:10.1002/adfm.202109597.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202109597
图1 热致变色水凝胶在透明和不透明状态之间转变的示意图，白天，水凝胶在较高环境温度下变得透明，在夜间，由于 SDS 胶束的形成和水凝胶网络中无机盐晶体的沉淀，窗户则转变为不透明状态。
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该水凝胶对于温度、pH、电均具有响应能力。如图2所示，当温度低于 Tk时，无机盐开始结晶并诱导SDS形成胶束，导致水凝胶具有遮光性(不透明)，一旦温度升高到Tk以上，胶束的大小会减小，晶体会迅速溶解，水凝胶变成透明并允许太阳光通过。当使用电化学工作站对水凝胶提供10 V电压时，随着温度达到Tk时，水凝胶会逐渐从不透明变为透明。将水凝胶置于不同pH溶液中也会出现同样的现象，在1M KOH溶液中，水凝胶转变为不透明状态，而放入1M HCl 溶液时又会变得完全透明，上述转变均是可逆的。
图2 a) 水凝胶的制备示意图；b) 纯PAAm水凝胶(左) 和Gel-0.8-NaCl 水凝胶(右) 的SEM照片；c) C18、SDS、AAm和Gel-0.8-NaCl水凝胶的FT-IR光谱；Gel-0.8-NaCl 水凝胶在d) 温度、e) 电和 f) pH刺激下透明/不透明转变。
图3 a) Gel-0.8-NaCl水凝胶在透明 (28℃) 和不透明状态 (20℃) 下的透过光谱；b) Gel-0.8-NaCl 水凝胶在200-800 nm内的透过光谱；c) 该水凝胶与先前报道的智能窗户材料的太阳光调制能力对比图；d) 加入不同类型和浓度的无机盐（LiCl、NaCl 和 KCl）的水凝胶的 Tk；e) Gel-0.8-LiCl、Gel-0.8-NaCl 和 Gel-0.8-KCl 前体溶液在 25 ℃下的平均胶束尺寸(DLS)及其相应胶束结构示意图。
Gel-0.8-NaCl水凝胶在200-2500 nm波长下的透过光谱如图3a所示。所制备的水凝胶对 IR区间(780-2500 nm)表现出优异的阻隔功能。与之前报道的无机VO2热致变色涂层和其它热致变色水凝胶相比，制备出的水凝胶展现了高Tlum (99.05%)和 △Tsolar (33.42 %)。传统的智能窗户会随着温度的升高由透明变为不透明，有利于低温时太阳能的进入，高温时阻挡入射光。然而，这样的设计会导致其他问题，包括白天消耗额外的室内照明能源以及夜间缺乏隐私保护机制。因此，基于该水凝胶的智能窗户在尽可能减少红外光的进入的同时允许紫外线和可见光通过，减少了高温环境下的太阳光辐射。
图4展现了Gel-0.8-NaCl水凝胶的不同应用场景效果图。图4a是在夜间拍摄的，由于环境温度低，模板房不透明，不允许光线通过以保护室内隐私，而在白天，随着室外温度的升高，智能窗户变得透明，让入射光进入，有利于室内照明和节能。与传统窗户相比，智能窗户最重要的优势之一是可以有效调节阳光的透过率，减少阳光照射，从而调节室内温度。为了评估制备的智能窗户在实际情况下对红外光调制的能力，进行了以下的模拟实验：将装备普通玻璃窗和智能窗的两个模板房同时暴露在阳光下，并实时监测窗户表面温度和室内温度。结果显示：在太阳光照射1小时后，智能窗模型房的室内温度比装备普通玻璃窗的模板房低6.1°C，证明了Gel-0.8-NaCl水凝胶出色的太阳光调制能力。
文章还尝试将此热致变色水凝胶的应用拓展到智能温度监测领域。通过精心选择无机盐并调节混合比例，制备出了临界温度为37.0 °C的水凝胶，尝试将其作为温度计，如图4d所示，水凝胶片贴在志愿者的额头上，一旦体温高于37.0°C，它就会从不透明变为透明，表明体温升高，需要立即就医。此外，水凝胶还可以集成到实时监测人体温度的腕带中(图4e)。
图4 a) 模板房在白天和夜晚的照片；b) 配备智能窗和普通窗的模板房照片，以及两种模板房在自然光照射1 h后的红外图像；c) 两个模板房在自然阳光照射下窗户表面和室内温度随时间变化的曲线图；d) 贴在志愿者额头上的智能水凝胶在健康和发烧状况下的照片； e) 智能腕带示意图。