研究背景

全球约40%的能源消耗源于建筑能耗，其中采暖、通风与空调系统(HVAC)是主要耗能环节。《中国建筑能耗与碳排放研究报告》指出，2022年建筑领域二氧化碳排放量达22.22亿吨，约占全国总排放量的20%。而通过玻璃门窗损失的能量占建筑总能耗的5%。在"碳中和"背景下，发展绿色节能建筑已成为环境保护与市场发展的必然需求。

作为绿色建筑中室内外热交换的主要通道，窗户既是建筑的主要采光构件，也是围护结构保温最薄弱的环节，能源利用率低下。冬季通过玻璃窗损失的热量占供暖负荷的30%-50%，夏季太阳辐射热透过玻璃窗导致的制冷能耗占空调负荷的20%-30%。因此，减少窗户热损失并提高太阳能利用效率至关重要。

A Janus Smart Window for Temperature-Adaptive Radiative Cooling and Adjustable Solar Transmittance

Zuowei Zhang, Meina Yu, Cong Ma, Longxiang He, Xian He, Baohua Yuan, Luoning Zhang, Cheng Zou, Yanzi Gao & Huai Yang

Nano-Micro Letters (2025)17: 233

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01740-1

本文亮点

1. 技术革新：以PSLC作为主动调控层、KCWO-PNIPAM作为被动调控层构建KPP智能窗，成功实现了电-热双模式协同调控。

2. 性能飞跃：该智能窗可实现可见光(0.38-0.78 μm)、近红外光(0.78-2.5 μm)及中远红外光(特别针对8-13 μm波段)的全波段动态调控。在制冷模式下，模拟测试白天室内温度下降8℃，夜间降低5 ℃。

3. 应用前景广阔：主动调控与被动调控协同作用，通过动态翻转，可实现前端LWIR发射率(εFront)和太阳调制能力(ΔTsol)的可切换，适合不同季节的节能要求。

内容简介

北京大学杨槐/北京科技大学于美娜、邹呈等人提出一种可规模化制备的智能窗共组装策略，成功构建了KCWO-PNIPAM/PSLC智能窗(简称KPP智能窗)。通过精确调控各组分的性能参数与组装构型，实现了太阳光调控功能的优化提升。该设计以电致变色PSLC层作为主控开关，热致变色KCWO-PNIPAM(K0.1Cs0.22WO3/PNIPAM)水凝胶层作为辅助功能模块，实现了主动-被动协同调控的有机结合。在寒冷冬季，将KCWO-PNIPAM层朝外的KPP智能窗具有低前表面发射率(εFront)，可抑制辐射制冷效应以维持室内温度稳定；夜间水凝胶的高比热容特性能发挥优异的隔热性能，有效阻止室内热量散失。夏季时，系统可切换为PSLC层朝外的构型——高εFront赋予PSLC层强辐射制冷能力，而KCWO-PNIPAM层可吸收红外光从而降低室内温度。

图文导读

I 智能窗的设计及工作原理

KPP智能窗具有主动和被动阳光调节双重功能，并且两侧呈现不同的长波红外发射率(εLWIR)值。其工作原理如图1(b-c)所示。该智能窗采用翻转设计模式：在炎热夏季，高εFront值的PSLC窗面朝外以实现全天辐射制冷(红色箭头)。其阳光透射率可通过电场和温度双重调控：早晨和傍晚时，水凝胶保持高度透明状态，此时PSLC层通过主动调节阳光透射率来保护室内隐私；正午高温时段，当太阳辐射强度达到峰值时，水凝胶层会变为高度不透明状态，从而阻挡阳光入射。在冬季，低εFront层朝外以关闭辐射制冷功能。由于环境温度过低，水凝胶无法转变为不透明状态来调节阳光透射，此时PSLC层可通过电压调节实现阳光的多级调控，确保室内隐私全天候不受影响。更有趣的是，KCWO-PNIPAM层凭借其高比热容特性，展现出优异的储热和隔热性能，能有效防止室内热量流失。

图1.  (a)在UV、Vis、NIR和LWIR波长范围内，夏季(光谱中的红线)和冬季(光谱中的蓝线)节能模式下理想智能窗的概念；以及节能智能窗的重要参数：透光率(Tlum)、太阳透光率(Tsol)、LWIR发射率(εLWIR)；(b-c)智能窗的制作和调制机制示意图。

II KPP智能窗的被动调控- KCWO/PNIPAM水凝胶层

图2(a)展示了KCWO/PNIPAM水凝胶的制备过程与结构特征。该复合水凝胶具有独特的互穿网络结构，由PVA分子链与NIPAM单体相互缠绕形成，显著提升了水凝胶的稳定性。同时，KCWO纳米颗粒被PVA和水凝胶网络包覆，有效防止长期使用后的沉淀问题，从而提高其在凝胶中的分散性和稳定性。

图2.  (a)水凝胶的形成机理；(b)水凝胶相变过程示意图。(c) KCWO/PNIPAM(1.2%)的SEM图像；(d) (c)中红色区域对应的放大SEM图像；(e) (d)中红色区域对应的放大SEM图像；(f) KCWO/PNIPAM的EDS谱；(g) KCWO含量在0.4 wt% ~ 2.0 wt%范围内，冷冻干燥后KCWO复合水凝胶的DSC谱图；(h-i) KCWO/PNIPAM(1.2%)在20℃和40℃全太阳光谱下的(h)反射率和(i)透过率；(j) PNIPAM和KCWO/PNIPAM的FT-IR光谱；(k) KCWO/PNIPAM和PNIPAM的比热容值；(l) PNIPAM/KCWO层照片。

水凝胶可通过冷冻干燥工艺制备成固体粉末状，在实际应用中便于储存和运输。冻干后的水凝胶再次溶解后仍能形成均匀的KCWO/PNIPAM复合水凝胶，如图2(b)所示，且保持优异的热响应性和相变特性，表明材料具有良好的稳定性。SEM显示(图2c-e)制备的复合水凝胶主要呈现不规则片状形貌，表面分布有大量微小突起。EDS分析(图2f)证实这些突起主要含有K、Cs、W、O和N元素，且元素分布均匀，表明KCWO颗粒在水凝胶基质中分散良好。

DSC测试结果(图2g)显示，KCWO/PNIPAM水凝胶的LCST为35.12°C，与纯PNIPAM水凝胶的34.96°C非常接近，说明纳米颗粒对水凝胶相变温度影响很小。这个温度接近人体舒适温度范围，非常适合作为智能窗的开关温度。光学性能测试表明(图2h-i)，KCWO的加入使复合水凝胶在1000-2500 nm波段的透光率显著降低，展现出优异的近红外吸收能力。FTIR光谱分析(图2j)显示，所有样品的特征峰基本一致，表明KCWO纳米颗粒的加入没有改变PNIPAM水凝胶的结构。3482 cm⁻1和3270 cm⁻1处的峰分别对应O-H键振动和N-H伸缩振动，1657 cm⁻1处的峰归属于酰胺I键(C=O)，这些特征峰证实了水凝胶的成功合成。此外，KCWO/PNIPAM展现出优异的储热能力(图2k)，这对智能窗的实际应用至关重要。图2(l)展示了PNIPAM/KCWO层的实物照片，直观呈现了宏观形貌。

III KPP智能窗的主动调控- PSLC层

本实验采用聚合物和含氟负性液晶材料制备PSLC薄膜，其丰富的化学键赋予材料高长波红外发射率(εLWIR)和良好的辐射制冷效率。为降低驱动电压，引入含氰基的单丙烯酸酯单体CN来调控聚合物网络形貌。该单体兼具介晶单元和柔性烷基链，与液晶表现出良好的相容性。当CN浓度保持在2.0 wt%时(样品C)，可获得均匀稳定的薄膜微结构，其断面形貌如图4c插图所示。电光性能测试表明(图3e-f)，随着CN含量增加，电光曲线明显左移，饱和电压从36V降至28V。样品C在毫秒级响应时间内达到约70的对比度(图3g-h)。光学调控性能研究表明(图3h-i)，薄膜反射率随电压升高而增加，同时透光率曲线下降，实现了对光线的动态调控。薄膜在0V时可见光透过率(Tlum)和太阳光透过率(Tsol)分别达79.7%和76.2%；当电压升至30V时，Tlum降至6.1%而Tsol为50.3%，实现多级阳光调控(图3m)。红外发射光谱显示(图3j-k)，PSLC/PNIPAM薄膜在4.0-15.0μm波段、30°-80°偏振角范围内，大气窗口平均发射率始终超过0.92，确保稳定的辐射制冷效果。ATR-FTIR测试(图3l)揭示了薄膜高发射率的成因：5.2-6.3 μm处的吸收峰源于C=O键伸缩振动(1100-1380 cm⁻1)，7.6-9.3 μm峰对应C-F键弯曲振动(978-1280 cm⁻1)，11.7-14.5 μm峰则来自C-H键弯曲振动(978-1037 cm⁻1)，这些特征振动共同促成了薄膜在8-13 μm波段的高发射特性。

图3.  (a-d) PSLC膜聚合物相的SEM图像(插图为平面视图)；(e) PSLC薄膜的E - O曲线；(f)饱和电压变化趋势；(g)样品C的透过率-时间曲线；(h)反射光谱；(i)样品C随电压变化的透射光谱；(j) 30 ~ 80°不同偏振角(θ)下PSLC/PNIPAM薄膜的红外发射率光谱；(k) PSLC/PNIPAM薄膜的实测偏振相关红外发射率光谱。(l) PSLC膜的ATR-FTIR吸光度谱；(m) PSLC薄膜透光率照片。

IV KPP智能窗的光学与节能性能展示

本研究成功开发了一种具有主-被动协同调控功能的KPP智能窗系统，通过将电致变色PSLC层与热致变色KCWO-PNIPAM层集成，实现了多重环境响应特性。该系统以PSLC层为基底，在经聚乙烯吡咯烷酮修饰的PET基板上通过聚合反应构建复合结构，不仅保留了PSLC层通过电压主动调节透光率的特性(饱和电压28-36 V)，还能在环境温度超过LCST(35.12 °C)时触发KCWO-PNIPAM层的相变雾化效应。光学测试表明，智能窗在开启状态下可见光透光率可达78%(Tlum=78.4%，Tsol=52.6%)，关闭状态透光率仅4.2%(Tlum=9.2%，Tsol=5.8%)，且近红外吸收率提升显著。通过调控两侧εFront值，系统能根据天气条件实现全天候辐射制冷/加热。特别值得注意的是，该系统展现出四种可切换工作模式：高透明模式(Eon,Hon)保障日常采光，电控调光模式(Eoff,Hon)实现主动调光，热响应遮阳模式(Eon,Hoff)自动阻隔强光，全遮蔽模式(Eoff,Hoff)则同时满足隐私保护和隔热需求。这种多维度调控机制克服了单一响应智能窗的环境适应性局限，为建筑节能提供了创新解决方案。

图4.  (a)不同状态下KPP智能窗透光率曲线；(b)复合窗在不同状态下的Tsol和Tlum；(c)复合窗在不同状态下的照片；(d) 0.3 ~ 2.5 μm的太阳透过率和LWIR的红外发射率曲线；(e) KPP智能窗在34℃、35℃、41℃、44℃时低e侧(左)和高e侧(右)的红外图像(上图为铝箔)。 

KPP智能窗通过翻转设计可自主调节太阳光透射率并切换εFront值，以满足不同季节的节能需求。为验证其实际节能性能，我们于2024年7月7日在北京(39.87°N，116.28°E)进行了户外冷热测试(实验装置见图5a-b)。测试采用透明亚克力密封舱体，内部放置三个铝箔包裹的聚苯乙烯泡沫箱，分别覆盖普通玻璃、KCWO-PNIPAM/PSLC(低εFront)和PSLC/KCWO-PNIPAM(高εFront)样品，通过K型热电偶持续记录温度数据。日间测试结果(图5c)显示：普通玻璃箱内最高温度达48.2°C，而PSLC/PNIPAM智能窗样品温度最低(43.5°C)，与普通玻璃形成4.7°C的温差。夜间冷却曲线(图5d)表明，PNIPAM/PSLC窗具有最慢的降温速率，箱内温度始终比普通玻璃高5°C，展现出优异的保温性能。模拟太阳辐照实验进一步证实，在相同照射时间内，PNIPAM/PSCL样品表现出更快的升温速度和更慢的冷却速率(图5d)，凸显其卓越的热绝缘特性。这些实验结果系统验证了KPP智能窗的双向节能机制：夏季高εFront面朝外时实现主动降温(日间降温4.7°C)，冬季低εFront面朝外时则有效保持室内热量(夜间保温5°C)。这种季节适应性调控特性使其在建筑节能领域具有显著应用优势。

图5. (a)用于评价冷却性能的装置的示意图；(b)用于评价加热性能的装有温度控制系统的装置的示意图；(c-d)白夜升温曲线；(e) KPP窗(高εFront: PSLC/PNIPAM、低εFront: PNIPAM/PSLC与普通玻璃)室内冷环境空气温度对比研究。(f)冷环境比较研究的窗内表面温度；(g)模拟阳光照射下温度随时间的变化曲线；(h)室内空气温度；(i)智能窗外表面温升曲线。

为验证KPP智能窗的冬季保温性能，研究团队在-7℃的低温环境中进行了对比实验。实验装置保持与夏季测试相同的配置，额外增加了模拟太阳光的灯泡和室内电加热器。测试结果显示(图5e-f)，当智能窗采用低εFront面(PNIPAM/PSLC)朝内配置时，室内空气温度维持在22.5°C，较之高εFront面(PSLC/PNIPAM)配置的21°C提升了1.5°C。特别值得注意的是，窗体内表面温度差异更为显著：低εFront面内表面温度达到22.5°C，这主要归因于其0.35的低发射率有效抑制了长波红外辐射导致的热损失。模拟日照实验数据(图5g)进一步证实，在相同辐照条件下，PNIPAM/PSLC配置展现出更快的升温速率(较普通玻璃提升约18%)和更缓慢的冷却速率(降温速率降低23%)，这种特性使其在寒冷环境下能有效维持室内热舒适度。实验结果表明，通过简单的翻转操作将智能窗切换至冬季模式(低εFront面朝内)，可减少约15%的热量散失，为寒冷地区的建筑节能提供了创新解决方案。

V KPP智能窗的节能潜力分析

通过Energy PLUS软件模拟，我们系统评估了KPP智能窗在中国不同气候区的节能潜力。研究将全年划分为供暖季(11月-次年2月)、制冷季(6-8月)和过渡季，图S13-15展示了不同城市各月HVAC能耗对比。结果表明：在太阳辐射较强地区，具有高发射率的PSLC和KPP智能窗(高εFront面)节能效率更突出；而在辐射较弱区域，低发射率的KCWO-PNIPAM和KPP智能窗(低εFront面)表现更优。以北京为例(图6b)，制冷季KPP窗与PSLC的能耗降低显著，供暖季则KPP窗与PNIPAM配置更具优势。年度节能模拟(以普通玻璃为基准)显示，KPP智能窗在全国范围内均表现出卓越的节能潜力(图6a,c)。通过MATLAB理论分析(基于公式5-9计算参数)，当环境温度为303.15K时，PSLC/PNIPAM薄膜的昼夜最大制冷功率分别达到135.36和92.26 W/m2/K(图6d-e)。这种优异的季节适应性源于其独特的双面设计：夏季高εFront面(0.95)朝外实现辐射制冷，冬季低εFront面(0.35)朝内减少热损失，使KPP窗在不同地域、不同季节均可实现15-25%的HVAC能耗降低，为建筑节能提供了普适性解决方案。

图6. (a)中国20个城市气候条件下以普通玻璃为基准的KPP窗年暖通空调(HVAC)节能情况。(b)北京气候条件下普通玻璃、KCWO-PNIPAM、PSLC和KCWO-PNIPAM/PSLC窗的月采暖、通风和暖通空调能耗；(c)中国20个城市气候条件下普通玻璃窗的KCWO-PNIPAM、PSLC和KCWO-PNIPAM/PSLC窗的年节能。(d)夜间KCWO-PNIPAM/PSLC窗口净冷却功率计算；(e)白天KPP窗口净冷功率计算。

VI 智能窗技术评价

本研究通过六个关键性能指标(图7)系统对比了电致变色、热致变色和液晶基智能窗的技术优势。结果表明，KPP智能窗展现出全方位的性能突破：(1) 具备4种光学模式(NOM)，远超传统智能窗的1-2种；(2) 太阳光谱调控范围(ASSR)覆盖紫外-可见-近红外(300-2500nm)；(3) 发射率可调性(AE)达0.35-0.95，创现有报道最高纪录；(4) 可见光透射率变化幅度(ΔTlum)达74.5%(4.2%-78.7%)；(5) 毫秒级响应速度(SR)比电致变色窗快3个数量级；(6) 独特的电磁屏蔽效能(ES)使室内电磁波衰减达15dB。这种将光学调控与电磁屏蔽功能集成的设计(支撑材料第8节)，不仅解决了传统智能窗在极端气候下适应性不足的痛点，更拓展了其在军事屏蔽、电子医疗等特殊场景的应用潜力，标志着智能窗技术向多功能集成方向的重要突破。

图7.  多光谱智能窗的现状分析。EC，电致变色智能窗；LC：液晶材料体系；P-LC，聚合物-液晶材料；TC：热致变色智能窗；TC/EC：电致和热致变色智能窗；TESW：透明电磁屏蔽窗。

VII 总结

文章提出了一种具有主动可调辐射制冷和多级太阳光调控能力的智能窗。该智能窗两侧具备不同的长波红外发射率(高发射率正面：0.95，低发射率背面：0.35)，通过将高发射率PSLC层作为制冷面与KCWO/PNIPAM层作为加热面相结合，实现了夏季最大化辐射制冷与冬季良好保温的协同优化。PSLC不仅具有毫秒级快速响应时间，还能通过调节外加电压实现太阳光透射率的多级调控，确保炎热季节的高效辐射制冷需求；同时可在寒冷天气快速切换至加热模式并保持优异保温性能。作为光热纳米转换材料，KCWO能高效稳定地吸收阳光为智能窗持续供热，而KCWO/PNIPAM较低的长波红外发射率与较高比热容提供了良好的隔热特性。户外实验表明：相比普通玻璃，PSLC/PNIPAM可实现最高12.3℃的温降；在寒冷环境测试中，PNIPAM/PSLC的室内温度显著高于普通玻璃。该复合系统还展现出良好的电磁屏蔽效能，是开发智能能源管理设备的理想候选方案。

作者简介

杨槐

本文通讯作者

北京大学材料科学与工程学院 教授

▍主要研究领域

液晶材料的分子设计与制备；建筑与汽车门窗用智能调光膜；全柔性液晶显示器；液晶性聚合物电解质；外场刺应性液晶聚合物弹性体；液晶高分子/碳纤维复合材料。

▍主要研究成果

杨槐，博士生导师，北京大学终身教授、国家级杰出人才计划入选者、国家重点研发计划首席科学家、国家基金委创新群体负责人、英国皇家化学会会士。作为中日政府联合培养博士生赴日本留学并获得日本九州大学论文博士，曾任日本九州大学工学部访问研究员、日本福冈工业科学和技术振兴财团研究员、日本科学技术振兴事业团研究员。2003年回国后，历任北京科技大学材料学院教授、博士生导师、“建龙讲座教授”、材料科学与工程学院副院长，北京大学工学院材料学科学与工程系主任、工学院副院长、新结构材料研究所所长，中国新材料产业技术创新战略联盟副理事长。

▍Email：yanghuai@pku.edu.cn

于美娜

本文通讯作者

北京科技大学新材料技术研究院 副研究员

▍主要研究领域

智能光热调控薄膜；量子点器件；液晶/高分子复合材料。

▍主要研究成果

于美娜，博士，副研究员，硕士生导师。2018年毕业于北京大学工学院材料科学与工程系，获理学博士学位。曾在美国肯特州立大学先进材料与液晶研究所访学。2020年起在北京科技大学新材料技术研究院从事博士后研究工作，后正式加入新材院进行教学科研工作。主要研究方向包括液晶材料及基于液晶/聚合物复合材料的多功能薄膜、量子点显示及光学器件、智能响应薄膜等。

▍Email：yumeina@ustb.edu.cn

邹呈

本文通讯作者

北京科技大学新材料技术研究院 副研究员

▍主要研究领域

液晶复合材料的微纳加工技术研究及光电器件制备；光响应及多重响应性智能材料与器件；液晶/高分子复合材料微纳结构调控及应用；反式电控调光膜制备及应用。

▍主要研究成果

邹呈，理学博士，副研究员。本科毕业于中山大学，获学士学位；研究生毕业于北京大学工学院材料科学与工程系，获得博士学位。主要从事基于液晶材料的光电子器件的研究，从材料的合成与表征到器件制备及性能测试，通过系统研究，开发能够实际应用于智能窗、显示、有机柔性电子等方面的先进材料及器件。

▍Email：zoucheng@ustb.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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