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  全球建筑能耗約占總能耗的40%，并產(chǎn)生約33%的溫室氣體排放。作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分，窗戶(hù)導(dǎo)致了約60%的能量損失，這與傳統(tǒng)窗戶(hù)能效不足及現(xiàn)代建筑高窗墻比密切相關(guān)。因此，降低建筑熱負(fù)荷對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)至關(guān)重要。熱致變色水凝膠智能窗以其零能耗和動(dòng)態(tài)調(diào)光能力，成為實(shí)現(xiàn)建筑被動(dòng)式節(jié)能的可持續(xù)解決方案。然而，H₂O對(duì)近紅外（NIR）能量的顯著吸收，嚴(yán)重制約了光譜響應(yīng)性能的提升。

  近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系武利民教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地利用同位素氘水（D₂O）驅(qū)動(dòng)的水凝膠智能窗體系（圖1），解決了傳統(tǒng)水凝膠近紅外強(qiáng)吸收（43%）的核心難題，實(shí)現(xiàn)了接近理論極限的太陽(yáng)光（300-2500 nm）透射率調(diào)制（ΔT_sol=91.97%）和近紅外透射調(diào)節(jié)率（ΔT_NIR=91.21%）。重水比水的相對(duì)分子質(zhì)量高約11%，極性低于H₂O。在相同NIR輻射條件下，盡管摩爾質(zhì)量相同，D₂O的近紅外和能量吸收能力較H₂O更低。隨著同位素分離技術(shù)成熟，D₂O成本將持續(xù)降低。

圖1. D₂O基熱致變色水凝膠智能窗的光譜調(diào)制。相較于普通水凝膠智能窗，D₂O水凝膠智能窗的太陽(yáng)光透射率調(diào)制和近紅外透射調(diào)節(jié)率大幅提升。

  在上海實(shí)地測(cè)試中，該智能窗夏季比環(huán)境溫度低8℃，冬季升溫5.6℃（圖2）。此外，通過(guò)引入銀納米線(xiàn)（Ag NWs）復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖3），進(jìn)一步增強(qiáng)了長(zhǎng)波紅外發(fā)射率（8-14 μm）調(diào)控（Δε=31.89%），實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光譜與紅外輻射同步管理。并深入探究了D₂O同位素替代對(duì)分子振動(dòng)能級(jí)的調(diào)控機(jī)制，揭示了O-D鍵與O-H鍵在近紅外吸收的頻移規(guī)律。該同位素驅(qū)動(dòng)型水凝膠智能窗在調(diào)制幅度與能效指數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)上均顯著超越現(xiàn)有熱致變色器件，為建筑節(jié)能領(lǐng)域提供了關(guān)鍵技術(shù)方案。此外，研究團(tuán)隊(duì)指出，隨著同位素分離技術(shù)成熟，重水成本將持續(xù)降低。

圖2. 同位素水凝膠智能窗戶(hù)外溫度測(cè)試，驗(yàn)證了其溫度自適應(yīng)優(yōu)勢(shì)。

圖3. 采用銀納米線(xiàn)（AgNWs）修飾技術(shù)與聚乙烯（PE）外層封裝方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見(jiàn)光、近紅外以及中紅外全波段的調(diào)控能力，為溫度自適應(yīng)性提供了一個(gè)新途徑。

  該研究于7月29日以“Isotope-driven hydrogel smart windows for self-adaptive thermoregulation”為題在線(xiàn)發(fā)表在《Nature Communications》上。復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系武利民教授、上海理工大學(xué)王彤特聘副研究員為通訊作者，博士生涂鴻軼為第一作者，復(fù)旦大學(xué)陳敏教授多次參與了討論。

  相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。

  原文鏈接：Hongyi Tu, Tong Wang, Min Chen & Limin Wu, Isotope-driven hydrogel smart windows for self-adaptive thermoregulation. Nature Communications, 2025.

  https://doi.org/10.1038/s41467-025-62432-3