智能玻璃 自知冷暖

【中玻網】8月30日，美國咨詢公司NavigantResearch公布調查報告表明，用于建筑和交通工具方面的，能控制熱能、光線和照射的智能玻璃，預計到2022年將從年產值8800萬美元爆開式地增長到8.99億美元。
　　
　　這個領域的研究人員也在不遺余力地為這個增長努力著，近年來，有關智能玻璃的研究成果不斷推陳出新。

    有名學術期刊《自然》雜志就在8月15日刊發了一項新的智能玻璃成果。美國勞倫斯伯克利國家實驗室借助納米結晶技術，在玻璃中嵌入了一層超薄納米涂層，讓玻璃變聰明。這種玻璃可以按需調整進入玻璃的光線，能做到明暗可控、冷熱可調，這有可能幫助未來建筑的空調和照明支出。
　　
　　研究人員表示，與現有的技術不同，他們為玻璃嵌入的超薄納米涂層可以對可見光和產生熱量的近紅外光進行選擇性控制，以便在不同氣候條件下非常大限度地保證室內的舒適性并節約能源。
　　
　　這項技術的核心是一種經過重新設計的電致變色材料，它由氧化銦錫納米晶體和嵌入在玻璃基質中氧化鈮組成。這就好像讓玻璃擁有了“大腦”，除了能分別控制可見光和近紅外光，采用這一技術的窗戶還能按需切換到遮光模式（同時屏蔽近紅外光和可見光）或全明模式（讓所有光線毫無阻擋地進入室內）。
　　
　　此前，該研究小組做到了可以讓玻璃只阻擋近紅外光而讓可見光通過，這一次，他們的打破在于對可見光和近紅外光的單獨控制。這意味著使用者能夠在不增加額外熱量的情況下，保證室內的采光，從而減少對空調和人工照明的依賴。
　　
　　研究人員發現，納米晶體在玻璃中微小區域的協同交互作用可增強電致變色效應，這意味著可以在不犧牲性能的前提下進一步降低涂層的厚度。較關鍵的是，這種納米晶體玻璃界面的原子連接方式導致了玻璃基質結構的重排，其拓展了玻璃基體的內部空間，使電荷的移動和進出更加容易，這也為新型電池材料的研發提供了思路。而從材料設計的角度來看，他們證明了能夠用在單一同質材料中增加不同材料的方式來賦予其新特性。
　　
　　項目負責人迪莉婭·米莉蓉表示，在美國，人們所消耗的能源中大約有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墻建筑更加需要這種新材料，提高能源使用率。
　　
　　美國咨詢公司NavigantResearch認為，由于設計趨勢的發展，智能玻璃市場也會擴大，與此同時，建筑法規會更加嚴格，而業主也更加重視建筑的節能性。
　　
　　雖然從上世紀70年代開始，西方發達國家就先后開發了一系列節能鍍膜玻璃技術。不過，當時的技術都是以適應不同環境，讓玻璃起到相應的隔熱或保溫作用。比如熱反射率超過50%的玻璃適用于熱帶地區的民用建筑，能顯著降低夏季空調能耗；而隔熱保溫性能高，適用于夏涼冬暖地區。
　　
　　但這些節能玻璃還無法隨環境溫度“自知冷暖”。這對于一些冬冷而夏熱的地區的使用就有很大限制。
　　
　　瑞士聯邦建筑師協會A級注冊建筑師張萬桑在接受《中國科學報》記者采訪時表示，就節能建筑的設計來說，玻璃智能化的研究可以說是一個比較熱門的方向。玻璃是窗戶的主要部分，其框架又是金屬質地，這使得窗戶成為整個建筑外立面上較薄弱的部分，也就是能量從室外到室內過渡較快的區域。“這也使得玻璃的節能設計在當下十分重要。”
　　
　　從人類技術發展的歷史來看，對于建筑保溫隔熱材料的研究通常都是不透明的部分。“因此在現代建筑設計中，墻體這些不透明部分的節能材料選擇更多。”張萬桑說，“并且由于這些材料的應用、成熟度高，工業標準化、安裝標準化、驗收標準化程度也相應比較高。”
　　
　　在現代建筑中，玻璃的使用量越來越大。張萬桑表示，這實際上造成了一個矛盾，在建筑上大量使用玻璃一方面造成了能量的快速損失，但另一方面也為室內爭取到了能量。
　　
　　這就需要讓玻璃更加智能來化解這個矛盾，按需控制能量在室內外的過渡，從而保持室內的舒適溫度。
　　
　　近年來，讓玻璃自己變聰明，使用不同環境調節光線、溫度，受到很多研究者的關注。比如，2012年中科院上海硅酸鹽研究所的研究團隊就研制了一種智能鍍膜，貼在玻璃上就可以讓普通玻璃變聰明，根據環境溫度變化實現光熱的自動調控。
　　
　　但張萬桑表示，就現階段而言，智能玻璃的應用還需要面對成本控制的問題，人們還需要在使用上考慮經濟效益。