▎導(dǎo)讀

從摩天大樓的玻璃幕墻，到新能源汽車的全景天窗，再到飛機(jī)的大尺寸舷窗，在現(xiàn)代城市的高樓大廈和新型交通工具中，透明結(jié)構(gòu)已成為不可或缺的重要元素。然而，隨著科技的迅猛發(fā)展，光污染和電磁污染已成為不可忽視的重要公共健康問(wèn)題。傳統(tǒng)窗戶在方面表現(xiàn)乏力，亟需增強(qiáng)功能，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

透射率和霧度是表征光學(xué)性能的重要參數(shù)，不僅影響窗戶的性能，更直接關(guān)系到用戶體驗(yàn)。透射率可調(diào)節(jié)室內(nèi)照明強(qiáng)度，從而助力節(jié)能；而霧度則在保護(hù)隱私方面發(fā)揮重要作用。然而，傳統(tǒng)的光傳輸和散射調(diào)節(jié)通常需要不同的材料系統(tǒng)和設(shè)備。此外，電磁波調(diào)控也是未來(lái)窗戶技術(shù)的重要方向，但現(xiàn)有智能窗尚未解決這一問(wèn)題。

鑒于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦課題組創(chuàng)新性地研發(fā)了一種多光譜智能窗。這款智能窗不僅能夠調(diào)節(jié)可見(jiàn)光，還具備屏蔽微波信號(hào)的功能。其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)由負(fù)性液晶、離子型表面活性劑和二色性染料組成的核心液晶混合物，以及垂直排列的聚酰亞胺層和氧化銦錫（ITO）膜，全部封裝在玻璃基板內(nèi)。液晶混合物作為光調(diào)制介質(zhì)，而ITO薄膜因其光學(xué)透明性和導(dǎo)電性，既充當(dāng)電極又提供微波屏蔽功能。

該成果發(fā)表在Light: Science Applications，題為“Multispectral Smart Window: Dynamic Light Modulation and Electromagnetic Microwave Shielding”。

圖1：多光譜智能窗效果圖

▎介紹

團(tuán)隊(duì)利用液晶動(dòng)態(tài)散射技術(shù)和二色染料的賓主效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光透射和散射的獨(dú)立快速調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能夠在透明、吸收和霧態(tài)之間靈活切換，有效控制室內(nèi)光環(huán)境。此外，提出并驗(yàn)證了一種新的離子運(yùn)動(dòng)模型和介電常數(shù)調(diào)制策略。基于該策略，通過(guò)優(yōu)化陰陽(yáng)離子的摻雜比例，成功將最佳驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)整至約300赫茲，從而在低頻率下實(shí)現(xiàn)了透明、吸收和霧態(tài)之間的高效切換。圖2展示了多光譜智能窗的可見(jiàn)光調(diào)控策略，包括不同模式的調(diào)光控制策略、離子運(yùn)動(dòng)模型及其對(duì)應(yīng)的介電譜，以及通過(guò)優(yōu)化陰陽(yáng)離子的摻雜來(lái)改變最佳驅(qū)動(dòng)頻率的策略。

圖2：多光譜智能窗的可見(jiàn)光調(diào)控策略。(a) 三態(tài)切換多光譜智能窗的不同模式調(diào)光控制策略及效果示意圖；(b) 離子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其電導(dǎo)率譜；(c) 摻雜離子混合物等效電路及其介電譜；(d) 摻雜不同類型、含量粒子運(yùn)動(dòng)示意圖

另一方面，本研究通過(guò)設(shè)計(jì)ITO膜的厚度，在2-18 GHz寬波段電磁屏蔽效果顯著提高至30.9 dB，同時(shí)最大限度地減小對(duì)光學(xué)透明度的影響。圖3展示了多光譜智能窗的微波調(diào)控策略以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括在2-18 GHz頻率范圍內(nèi)隨結(jié)構(gòu)表面電阻變化的屏蔽效率模擬和測(cè)試結(jié)果，以及在5 GHz波入射時(shí)，窗后不同電阻值的人體頭部電場(chǎng)分析。

圖3：多光譜智能窗的微波調(diào)控策略。(a) 218 GHz頻率范圍內(nèi)，隨結(jié)構(gòu)表面電阻變化的屏蔽效率模擬云圖；(b) 具有5 sq-1 ITO膜的樣品的模擬、測(cè)量和擬合屏蔽效能；(c) 5 GHz 波入射時(shí)，窗后不同電阻值的人體頭部電場(chǎng)分析。

▎展望

相比現(xiàn)有材料，該研究開(kāi)發(fā)的多光譜智能窗不僅具備卓越的電磁屏蔽和光學(xué)調(diào)節(jié)性能，還實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的功能，使其在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和裝置中脫穎而出。圖4(a)展示了該智能窗在五個(gè)維度（響應(yīng)時(shí)間、透射率調(diào)節(jié)范圍、霧度調(diào)節(jié)范圍、驅(qū)動(dòng)電壓和光學(xué)調(diào)節(jié)模式）上相對(duì)于現(xiàn)有電控智能窗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。圖4(b)則展示了該智能窗覆蓋更廣泛的屏蔽波段，包括S、C、X、Ku波段的電磁波，與現(xiàn)有透明電磁屏蔽材料相比，體現(xiàn)了顯著的競(jìng)爭(zhēng)力。此外，這種方法的電磁屏蔽效果明顯優(yōu)于商用PDLC（聚合物分散液晶）材料，顯示了其在建筑與交通市場(chǎng)中的巨大應(yīng)用潛力。

圖4：多光譜智能窗的現(xiàn)狀分析。(a) 電控類智能窗的研究現(xiàn)狀對(duì)比 (EC，電致變色智能窗；SPD，懸浮粒子裝置) ；(b) 微波屏蔽透明材料的研究現(xiàn)狀對(duì)比

隨著智能材料和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能窗技術(shù)也在快速升級(jí)，推動(dòng)世界朝著更加節(jié)能和智能化方向發(fā)展。一種適應(yīng)復(fù)雜光-電磁環(huán)境的智能透明結(jié)構(gòu)，智能光限幅調(diào)波結(jié)構(gòu)，日益受到關(guān)注。這種結(jié)構(gòu)依靠精確的液晶排列和創(chuàng)新的響應(yīng)材料，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的調(diào)光功能，不僅能控制光線方向，還能根據(jù)外部條件自動(dòng)進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。通過(guò)結(jié)合可重構(gòu)智能表面的設(shè)計(jì)，智能窗不僅能有效管理通信信號(hào)，擴(kuò)大無(wú)線通信的覆蓋范圍，減少通信延遲。此外，融合了太陽(yáng)光譜和電磁調(diào)制的新技術(shù)，多光譜智能窗正在改變未來(lái)建筑和交通的面貌。這種革命性的設(shè)計(jì)將使現(xiàn)代建筑和交通系統(tǒng)更加節(jié)能高效，更具信息處理能力，從而推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向智能化和綠色化方向發(fā)展。

▎論文信息

Zhang, R., Song, Z., Cao, W. et al. Multispectral smart window: Dynamic light modulation and electromagnetic microwave shielding. Light Sci Appl 13, 223 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01541-y