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  住宅和商業(yè)建筑的照明與室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)消耗了全球約40%的能源，遠(yuǎn)超過工業(yè)和交通領(lǐng)域的能耗。玻璃因其高透光性被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，以減少人工照明需求。然而，減少照明帶來的節(jié)能效果可能被空調(diào)能耗的增加所抵消。此外，傳統(tǒng)玻璃的透明性還可能引發(fā)眩光、光污染和隱私問題。現(xiàn)有的動態(tài)調(diào)光材料更多依賴電能或復(fù)雜觸發(fā)機(jī)制，制造過程復(fù)雜且環(huán)境兼容性不足，亟需開發(fā)無需外部能源、可自動響應(yīng)環(huán)境變化的綠色材料。

  近期，不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于纖維素納米纖維（CNF）和聚乙烯醇-甘油（PVA-glycerol）雙層結(jié)構(gòu)的濕度響應(yīng)型智能調(diào)光薄膜，通過利用CNF層與PVA-甘油層在模量和溶脹行為上的濕度響應(yīng)差異，實(shí)現(xiàn)了薄膜表面形貌的可逆調(diào)控（圖1）：在干燥狀態(tài)下形成光學(xué)散射褶皺結(jié)構(gòu)（強(qiáng)光散射與隱私保護(hù)），在濕潤狀態(tài)下恢復(fù)平整表面（高透光性與視野清晰）。這種獨(dú)特的動態(tài)光調(diào)控特性使其在炎熱晴天可使室內(nèi)溫度降低達(dá)8.4 °C，同時能保證陰雨天氣的充足采光。通過建筑能耗模擬分析，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)該薄膜在美國邁阿密地區(qū)的中型辦公建筑應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)年節(jié)能7.0 MJ/m²的顯著效果。

  該工作以“Dynamically Adaptive Wrinkle-Structured Light-Regulating Films for Energy-Efficient Buildings”為題發(fā)表于期刊《Advanced Functional Materials》。文章第一作者是不列顛哥倫比亞大學(xué)朱嘉瑩博士以及朱朋輝博士后研究員，通訊作者為朱朋輝博士和姜鋒教授。本研究得到了美國密歇根州立大學(xué)趙新朋教授的共同參與以及節(jié)能模擬技術(shù)支持。

圖1. 光調(diào)節(jié)薄膜的光學(xué)特性。（a）天氣自適應(yīng)智能窗戶示意圖。照片顯示（b）玻璃的眩光效應(yīng)與（c）光調(diào)節(jié)薄膜的防眩光效果；（d）高濕度下玻璃與薄膜透明度對比；（e,f）干燥狀態(tài)下覆蓋玻璃與薄膜的模型屋的隱私保護(hù)效果。

  薄膜的制備流程如圖2a所示：首先將CNF懸浮液澆鑄至模具中干燥成型，隨后在其表面涂覆PVA-甘油溶液，經(jīng)二次干燥后剝離得到初始透明薄膜。通過后續(xù)濕度處理釋放內(nèi)應(yīng)力，利用CNF層與PVA-甘油層吸濕溶脹行為的差異，在干燥過程中由于CNF層更快的收縮速率，在PVA-甘油層界面處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過臨界閾值時，薄膜表面發(fā)生屈曲變形，形成具有約4.5 μm特征波長的主褶皺結(jié)構(gòu)（圖2b）和納米尺度的次級粗糙形貌（圖2c）。值得注意的是，基于CNF與PVA分子間豐富的氫鍵作用以及溶液加工過程中的相互擴(kuò)散滲透，雙層界面展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度，未觀察到明顯分層現(xiàn)象（圖2d）。此外，該薄膜制備工藝具有良好的可擴(kuò)展性（圖2e）。光學(xué)性能測試結(jié)果顯示其具有顯著的可逆光調(diào)控特性：在干燥狀態(tài)下透光率僅為20%，遠(yuǎn)低于CNF薄膜和PVA-甘油薄膜（圖2f），而在高濕度環(huán)境中可提升至80%以上，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（圖2g）和快速響應(yīng)（圖2h）。

圖2. 薄膜制備、形貌與光學(xué)性能。（a）制備流程示意圖；（b,c）褶皺表面低倍與高倍SEM圖；（d）薄膜截面SEM圖；（e）可規(guī)�；苽涞墓庹{(diào)控薄膜實(shí)物展示；（f）干燥狀態(tài)下，CNF薄膜、PVA-甘油薄膜及光調(diào)節(jié)薄膜透光率對比；（g）34次干/濕循環(huán)透光率變化；（h）干燥過程中激光衍射圖樣。

  圖3系統(tǒng)揭示了褶皺結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及性能調(diào)控策略。圖3a與3b顯示，CNF層脫水速率快，PVA-甘油層則吸濕能力強(qiáng)、干燥緩慢。兩層間的溶脹-收縮差異在干燥過程中引發(fā)界面壓縮應(yīng)力，超過臨界值后誘導(dǎo)表面屈曲，形成褶皺結(jié)構(gòu)，其特征可通過應(yīng)力標(biāo)記加以佐證（圖3c）。透光率測試進(jìn)一步驗(yàn)證了濕度誘導(dǎo)下的光學(xué)變化（圖3d）：在97% RH時透光率約為80%，下降至33% RH以下時驟降至20%，表明褶皺結(jié)構(gòu)在該濕度范圍內(nèi)形成并趨于穩(wěn)定。結(jié)合力學(xué)測試（圖3e），CNF層的楊氏模量隨濕度降低由3.5 GPa升至8.6 GPa，而PVA-甘油層變化不顯著，說明CNF層主導(dǎo)了褶皺應(yīng)力的建立。為探究褶皺消失機(jī)制，研究采用QCM-D技術(shù)分析兩層膜的粘彈行為。結(jié)果顯示，CNF層在RH > 53%時耗散能顯著增加（圖3f），表明其吸濕塑化，變得柔軟，從而釋放界面應(yīng)力并促使褶皺逐步消退；而PVA-甘油層在11-75 RH%范圍內(nèi)未表現(xiàn)出顯著變化，保持剛性。此外，通過調(diào)控CNF含量（圖3g）與甘油比例（圖3h），進(jìn)一步優(yōu)化了光學(xué)響應(yīng)性能。研究確定CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 wt%、甘油添加量為PVA質(zhì)量的100%（圖3i）為最優(yōu)配比，兼具良好的光調(diào)控能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3. 光調(diào)控薄膜的褶皺形成/消失機(jī)制及性能優(yōu)化。（a）CNF薄膜與PVA-甘油薄膜在空氣中的水分蒸發(fā)曲線；（b）CNF薄膜與PVA-甘油薄膜在不同相對濕度條件下的DVS曲線；（c）光調(diào)控薄膜表面應(yīng)力痕跡的SEM圖；（d）光調(diào)控薄膜在不同相對濕度條件下的透光率變化；（e）PVA-甘油薄膜與CNF薄膜在不同濕度下的楊氏模量；（f）PVA-甘油薄膜與CNF薄膜隨時間變化的耗散能；（g）不同CNF含量下光調(diào)控薄膜的透光率；（h）不同甘油含量PVA-甘油薄膜的楊氏模量；（i）不同甘油含量下光調(diào)控薄膜的透光率。

  通過積分球系統(tǒng)對光調(diào)節(jié)薄膜的光學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征。測試結(jié)果顯示，在干燥狀態(tài)下薄膜可散射75%的入射光，展現(xiàn)出優(yōu)異的柔光效果（圖4a,b）。建筑模型應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，薄膜覆蓋的空間內(nèi)光照分布更加均勻（圖4c,d）。溫度調(diào)控測試中，薄膜通過選擇性降低近紅外透射率（圖4f）和高效散射太陽輻射，在2小時內(nèi)使模型內(nèi)部溫度較普通玻璃降低3.1 °C（圖4e）。

圖4. 光管理與制冷性能。（a）積分球測試的透/反射圖譜；（b）550 nm處透光率對比；（c,d）模型屋內(nèi)光分布模擬；（e）不同覆材下的升溫曲線；（f）300-2500 nm波段透光率對比。

  戶外實(shí)測進(jìn)一步驗(yàn)證了薄膜的動態(tài)響應(yīng)特性：其能根據(jù)環(huán)境變化智能調(diào)節(jié)透光（圖5a），在夏季可通過對室內(nèi)光照強(qiáng)度的調(diào)控，使室內(nèi)溫度顯著降低8.4 °C（圖5b,c），實(shí)現(xiàn)光熱協(xié)同管理�；�EnergyPlus的能耗模擬分析顯示，該薄膜在炎熱氣候區(qū)具備顯著的節(jié)能優(yōu)勢（圖5e）。以美國邁阿密市中型辦公樓為例，預(yù)計(jì)其年節(jié)能效益可達(dá)到7.0 MJ/m²（圖5d）。

圖5. 實(shí)際應(yīng)用展示。（a）晴雨天模型屋內(nèi)采光對比；（b）實(shí)際屋內(nèi)光強(qiáng)度；（c）實(shí)際溫度監(jiān)測；（d）美國15個主要城市中型辦公建筑的節(jié)能模擬；（e）全美氣候區(qū)節(jié)能分部。

  該研究以生物基材料制備濕度響應(yīng)光調(diào)節(jié)薄膜，可實(shí)現(xiàn)零能耗的智能光熱調(diào)節(jié)，為綠色建筑節(jié)能提供可持續(xù)解決方案。其可擴(kuò)展性、快速響應(yīng)以及長期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，有望推動下一代環(huán)境可持續(xù)性的智能窗戶的發(fā)展，助力全球節(jié)能減排。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510262

作者簡介：

  朱朋輝，2021年博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）木材科學(xué)系Mitacs Accelerate博士后研究員。主要從事纖維素基材料的濕敏響應(yīng)機(jī)制與功能化應(yīng)用研究。其研究圍繞纖維素與水的相互作用機(jī)制，聚焦?jié)穸闰?qū)動下的結(jié)構(gòu)-性能調(diào)控，探索材料在智能光/熱/水響應(yīng)中的應(yīng)用潛力；同時致力于推動微/納米纖維素在功能織物、綠色包裝與建筑節(jié)能等領(lǐng)域的高值化利用。迄今已發(fā)表論文超過40篇，包括以第一/共同第一和通訊作者身份在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Small、Nano Letters（2）等期刊發(fā)表論文15篇，其中包括ESI高被引論文2篇，期刊封面論文1篇，H指數(shù)24，總引用次數(shù)2374。參編學(xué)術(shù)專著1部，申請PCT國際發(fā)明專利1項(xiàng)，授權(quán)中國發(fā)明專利5項(xiàng)（已轉(zhuǎn)讓2 項(xiàng)）。多次（受邀）在國際學(xué)術(shù)會議做口頭報(bào)告，并擔(dān)任多個學(xué)術(shù)期刊審稿人。2024年，在聯(lián)合國森林論壇期間，榮獲加拿大林產(chǎn)品協(xié)會Chisholm林業(yè)創(chuàng)新獎（加拿大每年僅評選兩人，首位中國人獲獎?wù)撸�，相關(guān)信息被超過50家新聞媒體轉(zhuǎn)載報(bào)道，并榮獲加拿大溫哥華市長賀信表彰。2025年，榮獲國際林業(yè)和造紙協(xié)會Blue Sky創(chuàng)新獎（全球每兩年僅評選三人，首位中國人獲獎?wù)撸?/span>

  趙新朋，密歇根州立大學(xué)機(jī)械工程系助理教授。以第一作者（含共一）/通訊作者在包括Science、Nature、Nature Sustainability、Nature Communications、Science Advances等頂級綜合性期刊上發(fā)表論文50余篇，累積引用次數(shù)超過8000次，相關(guān)研究成果多次被“Nature”、“Science”、“Phys.org”、“MRS Bulletin”、“New Scientist”、“Physics World”、“Science Daily”等知名媒體報(bào)道。同時，擁有多項(xiàng)美國專利。曾獲2019年科羅拉多大學(xué)Summer Fellowship、2020年教育部優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎，并于2024年入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”全球榜單。

  姜鋒，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)木材科學(xué)系副教授，加拿大可持續(xù)功能性生物質(zhì)材料研究主席(Canada Research Chair)。在國際上獲得多項(xiàng)獎項(xiàng)，其中包括，2021年美國化學(xué)年會纖維素與可再生材料分會KINGFA 青年學(xué)者獎，2022年Paper360° TOP 50 POWER LIST，2023年UBC林學(xué)院杰出科研獎，2023年美國紙漿與造紙工業(yè)技術(shù)協(xié)會納米技術(shù)分會中年學(xué)者獎，以及2024年UBC Killam Faculty Research Prize Senior Category @KillamTrusts Laureate。目前擔(dān)任Carbohydrate Polymers期刊編輯，美國化學(xué)學(xué)會纖維素分會Vice Program Chair，以及多個期刊雜志編委。主要從事生物質(zhì)材料高值化轉(zhuǎn)化，研究方向涉及納米纖維素的分離與改性，超分子自組裝，氣凝膠，水凝膠，增材制造，傳感器，水處理，熱調(diào)控管理，以及電子器件制備。迄今發(fā)表論文150余篇，專利6項(xiàng)，總引用超過15000余次，其科研成果被300多個個加拿大以及國際媒體報(bào)道。