前言

近日，香港科技大学黄宝陵教授、姚舒怀教授和香港城市大学李威宏教授（共同通讯）联合在国际著名期刊Science Advances上发表文章，提出拥有58.4%太阳辐射调控和57.1%远红外热辐射调控能力的热致变色智能窗（STR窗户）。

不同于以往智能窗技术主要聚焦于太阳辐射的调控，此新型智能窗户展示了一种全新的被动式调节机理，实现了太阳辐射和热辐射根据环境温度的自动同步调控、且调控幅度均超过55%的重大突破。

其被动式随温度变化进行超宽光谱的自动调节使得昼夜24小时节能成为可能，同时使其拥有更强的气候适用性，可在不同地区不同季节均实现显著的节能效益。

在黄宝陵教授看来，本次突破是研究团队在研究低谷中收获的意外惊喜，是从挫败中结出的果实。

该研究的最初目的并非智能窗方向，却因一个偶然的发现，在困局里迎来了柳暗花明又一村的转机时刻。

01

绿色建筑风潮渐起，

热致变色智能窗发展长期受限

目前，全球建筑能耗约占所有能耗的30%~40%，其中制冷和采暖所占的比例超过一半。

在今天“碳中和”的背景下，绿色节能建筑风潮渐起，已成为环境保护和市场发展的必然。作为建筑与外界进行热交换的主要通道，窗户在绿色建筑中有举足轻重的意义。窗户是建筑的主要采光构件，亦是建筑外围结构中保温隔热的最薄弱环节，能源利用效率很低。

当前市售节能玻璃窗的热能调节很有限，其最佳替代产品为智能窗户。

智能窗可以在一定的物理条件下发生着色或褪色反应，具有调节光强度和室内温度的功能，从而减少建筑物的供暖和制冷能源需求，因而展现出较大的应用潜力，被称作“聪明的窗户”。

提及智能窗，人们大多与已经投入市场的电致变色智能窗相关联。

电致变色智能窗需要外接电源电路和额外的人工或者自动控制单元，而无需任何电能的热致变色智能窗却一直未能进入大众视野。

热致变色窗户的智能调控，在不改变窗户结构的情况下，可通过热致变色材料，根据温度变化自主调节窗户的太阳辐射透过率和远红外热辐射反射率，实现热流的方向控制，从而达到零能耗节能的效果，是比较理想的被动式智能窗。

然而，现有的热致变色玻璃，如基于二氧化钒的变色玻璃或传统水凝胶玻璃，仅能实现太阳辐射波段的光谱调控，对中远红外热辐射波段的光谱调控十分有限甚至是负面调节。这种限制源自现有材料的性能制约，长时间未能实现大幅度的突破。

“如果能够动态地调节智能窗户对热能的吸纳与散失，就可以从源头上改变室内的温度，从而实现’四两拨千斤’的节能效果。”黄宝陵教授指出。

02

水凝胶研究现转机

“我们最初研究水凝胶并不是为了智能窗户，而是为了做辐射制冷，即通过强烈反射太阳光，实现比环境温度更低的温度。”黄宝陵教授说。

黄宝陵教授曾任香港科大(广州)可持续能源与环境学域署理研究生项目主任、现任香港科大深圳太阳能光热实验室主任、香港科大佛山智能制造研究院副院长。当时，黄教授及其团队正致力于通过水凝胶实现辐射制冷项目的研究。

热响应水凝胶可以在高温下变白，从而反射太阳光。而实现辐射制冷，需要将95%以上的太阳光反射出去。然而，令人失望的是，在若干次实验后，水凝胶对太阳光的反射力强度始终达不到要求。进一步研究后，他们发现水凝胶中含有的水分会强烈吸收近红外、削弱反射力。

水的存在，让辐射制冷项目的研究陷入僵局。

“一度很泄气，”黄教授坦言，“我觉得这个想法根本行不通。由于水的存在及其对近红外波段的调控作用，如果采取原来的方案，达不到我们的目的。”

随后，研究团队反复思索前期的经验，调整策略后继续探究。一个偶然的机会，他们对水凝胶进行加热时，发现里面的水分被分离了出来；而温度降低后，水又重新被吸收回去。

这次，水的存在带来了新的希望。一个想法在研究人员的脑海中闪现：能不能把这个机制应用在窗户上？如果在窗户的表面有这样一个高透光、能够对远红外进行调节的反射层，加上水凝胶的热响应和水分的定向运动，就能实现太阳光与热辐射的同步调节了。

“环境与房间的热交换的主要的方式之一就是热辐射。多项研究已证实，仅仅调节对太阳光的吸纳是不够的。尽管热辐射的强度比太阳光低，但由于其24小时不间断，如果从全年的角度来考虑，热辐射的调控比太阳光的调控更重要。”黄宝陵教授补充说。

如前文所述，实现太阳光跟热辐射同步调节的想法在很多年前就被提出且论证过，但一直没有人找到方法同时实现。这一问题长期悬而未决。

研究团队迅速验证了他们的想法，进一步调整研究方向：

“不做辐射制冷了，我们就做智能窗户的方向。”

03

重大突破登Science Advances, 新型智能窗实现太阳光和热辐射同步调节

4月29日，香港科技大学黄宝陵教授、姚舒怀教授和香港城市大学李威宏教授（共同通讯）联合在国际著名期刊Science Advances上发表文章，题为《All-weather thermochromic windows for synchronous solar and thermal radiation regulation》。第一作者为香港科技大学博士后研究员林崇佳，共同一作为硕士生Jun Hur。

研究团队首次利用水凝胶（pNIPAm）的热致水捕获和释放特性，利用水分子作为远红外热辐射调节剂，水凝胶为太阳辐射调控材料，并结合银纳米线的热反射性能，获得了拥有58.4%太阳辐射调控和57.1%远红外热辐射调控能力的热致变色智能窗（STR窗户）。

此STR窗户在寒冷环境下，可透过大量的太阳光能，提高室内温度，同时反射大部分室内热辐射，防止热能外泄，达到突出的取暖保暖效果；在炎热环境下，可反射大部分太阳光能，降低室内的热荷载，同时吸收室内的热辐射并发射至室外，促进室内散热，达到优异的降温效果。

值得一提的是，STR窗户即使在夜晚也能提供节能效果，在开启空调的炎热夏季，由于与室内低温接触面呈现低发射率，可以减少室外热量的流入；而在室内取暖的冬季，又能有效减少室内热量的损失。从而实现在不同气候不同季节提供全天节能效果。

室温测试和模拟计算均表明，此新型智能窗户相比于现有的节能窗户，其超宽光谱的自动调节能力，使其拥有更强的气候适用性，可于不同地区均实现显著的节能效益。

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核心创新点及下一步研究计划掠影

据介绍，此新型智能窗户有两个核心创新点：

一是创造性地设计了以水分子为远红外辐射调节剂的热致变色结构，突破了远红外热辐射调节难以和太阳辐射调节共存的限制，制作出光谱调控范围广且幅度大的被动式智能窗户，为新一代智能节能窗户的发展提供了思路；

二是其突破了一种节能窗户通常只适用于特定气候地区的限制，其不管在寒冷或炎热地区，在白天或晚上，均展现出优异的室内温度调节能力，具有突出的全气候适应性。

后期，研究团队将进一步优化产品厚度、低温下的可靠性以及长期密封稳定性等问题，为其商业化应用提供技术支撑。黄教授相信，如果这些问题能够解决，这种窗户将具有广阔的市场空间和应用前景。

如前文所述，此项研究成果为智能节能建筑围护结构的发展提供了新思路，同时也为节能减碳事业贡献了独特的解决方案。

被问及取得本次突破的主要因素，黄宝陵教授的回答是“坚持”。在本次曲折的研究过程中，团队一步步调整策略、深入研究机理。“失败并不可怕，重要的是能从中找到新的希望和出路。一些糟糕的结果，也许会带来意想不到的发现。”

05

港科大发展再回首：有一点从未改变

黄宝陵教授分别于1999年和2001年获得清华大学工程热物理学学士和硕士学位；2008年，获得美国密歇根大学(University of Michigan, Ann Arbor)机械工程博士学位，并在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究工作。

2010年，他加入香港科技大学（以下简称“港科大”）任教。黄教授笑言：“港科大刚过‘而立之年’，至今仍是非常年轻的。这些年来，它成长很快、变化很大，但有一点从未改变，即为年轻人提供了优质的工作平台和大力的支持，帮助其教学科研工作尽快走上良性发展轨道。”

十二年前，黄教授刚来到港科大，系里的实验室空间非常有限。

“但是，在当时的条件下，老教授们是千方百计地从狭小的空间里腾挪出地方来，供我们刚加入的新人使用，还分配了帮带导师，我感恩至今。”

在科研启动阶段，实验室与设备条件至关重要。然而，对刚起步的科研工作者来说，部分高级实验设备的购置费用是无力负担的天文数字，如无法在短时间内解决，会导致科研工作搁置。

港科大因而在中央平台购置部分大型科学仪器，研究人员仅需缴纳较低的费用就能使用，帮助其迅速启动科研工作。

黄教授认为，中央实验室的模式是科大成功的“秘诀”之一，“现在，在港科大（广州），我们也在推广这一理念，筹建了中央实验室。”

*更多港科大（广州）中央实验室信息及功能枢纽实验室信息可通过此链接查看：https://funh.hkust-gz.edu.cn/en/research

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热能是品质最低的能源吗？

黄宝陵教授长期致力于热能和电荷传输与耦合机理及其应用的研究。博士阶段，他主要从事热电转换材料中的基础机理研究。加入港科大后，黄教授考虑到基础研究应与外界发展联系得更为紧密，因而开始尝试实验与理论的结合，并逐步开拓在光热转换方面的研究。

回想起来，黄教授笑言：“这像是冥冥之中的安排。”

大众观点认为，热能是品质最低的能源。其他形式的能源可以高效率地转换为热能，反之却很难。但在黄教授看来，这反而是热能的优势。

“正因为热能的这个特点，使它成为在生态系统中能量流动的最终形式。基本上所有设备、系统、过程都有热能的参与——也就是说，热能是无处不在的。”

热的科学能够伸展到方方面面，热学研究者的触角可以伸到包括电子芯片、能源、建筑等不同领域。

同时，黄教授认为：“电能被广泛认为是高品位的能量，但是热能与电能的转换，却构成了现代文明的基石之一。在碳排放削减方面，热能作为一种广泛存在的能源，会在未来扮演非常重要的角色。在这个新的背景下，热能的利用以及提高能源效率的研究具有很高的价值。”

07

科研寄语：走出舒适区

“要不断拓展、坚持不懈。”提及对科研工作的见解，黄宝陵教授强调说。

“作为一名研究者，要明确研究意义。确保自己的研究与时俱进，能对社会能产生正面的推动作用。

不能停留在非常自觉、舒适的区域中。就像我从最开始做理论，慢慢拓展到做实验；从做热电材料研究，拓展到建筑节能领域；整体思路其实是不变的——响应社会潮流的发展，根据社会的需求不断调整自己的研究范围和研究目标。

不要害怕挑战。即使是不熟悉的领域，只要认为是有意义的，就应该努力去探索，这样才会不断产出有价值的新东西。”

最后，谈及港科大（广州）（筹）校园，黄老师表示，自己也有幸参与了功能枢纽可持续能源与环境学域的筹建工作，“双碳”目标的达成需要在该学域的研究领域内做出突破，相信其会为全国乃至全球碳中和目标的达成做出贡献，创造更大的社会影响力。

编辑：黄宝陵教授研究团队 功能枢纽办公室