窗戶：從吸熱到發電

默片

窗戶是建筑能耗損失最多的地方，將近一半建筑能耗是從窗戶流失的，因為窗戶被稱為建筑能耗的黑洞。盡管門窗行業一直在努力提高窗戶的節能性，但始終很難讓窗戶達到建筑墻的保溫效果。不斷提高窗戶的節能性是減少窗戶能耗的一個方面，另一面不少研究人員都寄托于對太陽能的更好利用，畢竟面對能耗的流失，主動進攻總比被動防守要強。

吸熱玻璃窗

不久前，在窗戶與太陽能的結合方式又取得一次不小的進步，通過這項技術可以讓窗戶從散熱變成吸熱。

由哥德堡大學的 AIexandre Dmitriev帶領的科學家們，與來自瑞典、中國、伊朗和美國大學的共同在《Nano Letters》上發表了一篇關于太陽熱表面的論文，論文顯示研究人員已經開發出一種方法，可以把普通的窗戶變成太陽能加熱器，利用太陽能在寒冷的天氣里將窗戶的溫度提高到近15華氏度。

Dmitriev在接受采訪時表示：這項發明出人意料的簡單、廉價和有效，可以把普通的玻璃窗變成太陽能加熱屏，這種方法可以顯著改變生活和工作空間的熱平衡，尤其是考慮到現代建筑中，表面巨大的玻璃使用量在不斷增加。

這項新的表面是納米技術的一項應用，其主要的功能部件是等離子體納米天線。這些微型天線由鎳鋁氧化物三明治制成，形狀像納米橢圓，并以陣列的形式排列在玻璃上。 借助于這些材料表面的電子振蕩或表面等離子體激元，納米天線將高效的吸收光線，加熱整個表面。

在這項新的研究中，研究人員證明，當陽光照射在表面上時，光從正面（帶有天線）比從背面（基板）吸收效率更高。這種光吸收的方向性使窗戶表面具有吸引力，因此陽光可以最有效地從窗戶外面吸收。 此外，玻璃表面高度透明，看起來無色，幾乎可以保持陽光正常照射。

冷窗對建筑物供暖的影響比預期的要大，因為，當一個人坐在冰冷的窗戶旁邊時，他的身體會向窗戶輻射熱量，而窗戶就像一個“散熱器”，為了補償這種熱量損失，需要增加室內溫度，以維持一個舒適的環境。 由于新的窗戶表面可以將窗戶的溫度提高幾度，因此具有不小的節能潛力。

新的電致變色玻璃

去年，中國沈陽東北大學宋焱焱和南京大學夏興華的兩位學者共同《ACS Nano》上發表了一篇關于新型無菌智能窗的論文，他們所研發了一種新型的薄膜，不但具有以上提到的吸熱功能，而且能夠通過變色調節控制陽光的進入，同時還能消除了生活在玻璃上的大腸桿菌。

（a）納米天線表面的藝術描繪。 （b）納米天線的掃描電子顯微鏡顯微照片。 （c）貼在窗戶上的新平面照片。

將多個功能集成到一個產品上是一個挑戰，因為每個功能通常需要不同的材料組成。 例如，控制可見光傳輸的智能窗戶使用最廣泛的材料是 WO3（三氧化鎢），WO3作為一種電致變色材料，在電化學充放電過程中可以可逆地改變其光學透過率； 另一方面，將近紅外線太陽輻射轉化為熱量的智能窗戶通常使用金屬納米粒子； 此外，廣泛使用具有抗菌性能的材料中，效果最明顯的是銅。到目前為止，將所有這些特性組合成一種材料仍然是一個挑戰。

他們所設計的這種電致變色光熱薄膜，由WO3組成，呈蜂窩狀結構，內嵌金納米粒子和納米棒。 WO3負責控制通過窗戶的可見光量，金納米結構將入射的陽光轉化為熱能，用于加熱建筑內部。通過電致變色薄膜的太陽能增益優化，實現了卓越的光熱轉換，而且重要的是，在光傳輸過程中光熱效率可以調節。

使用這種薄膜的窗戶可以在幾分鐘內從完全透明變成一片漆黑。他們還發現，近紅外線激光可以在大約5分鐘內將窗戶的溫度提高24攝氏度。

為了研究窗口的抗菌特性，研究人員用大腸桿菌處理窗口，并用近紅外激光照射窗口。 他們發現，當窗戶處于黑暗狀態時，殺菌效果最強，在這種狀態下，幾乎可以消滅所有的細菌。 相比之下，對于透明狀態的窗戶，以及那些只用 WO3或只用金納米結構制成的窗戶，而不是兩種材料的組合，這種效果要弱得多。 結果表明，殺菌效果主要是由窗口的光熱特性決定的。

在綠葉搖曳中發電

瑞典林雪平大學有機電子實驗室的研究人員曾參與吸熱玻璃窗的研究，也是那篇論文的參與者之一樣。在不久前，瑞典林雪平大學有機電子實驗室的研究人員發明了一種方法和一種材料，當光線在陽光和陰影之間波動時，這種材料可以產生電脈沖。 因此，將來有可能利用在風中飄動的樹葉來獲取能源。

有機電子實驗室有機光子和納米光學研究小組的講解員和學術帶頭人林雪平大學 Magnus Jonsson介紹說：植物的光合作用系統不斷受到陽光和陰影的影響，內部從而會產生不同的變化。 我們從中獲得了靈感，并開發了一種材料組合，在這種材料中陽光和陰影之間的加熱變化可以產生電能。

可以控制可見光透射

之前他們在《Nano Letters》上共同發表的文章，描述了如何將納米天線與窗戶玻璃結合起來，可以減少寒冷氣候中能量的流失，其中的原理便是那些尺寸為幾十納米的天線，它們對近紅外光產生反應并產生熱量。現在林雪平大學的研究人進一步開發了這項技術，并通過將小天線和熱釋電薄膜結合起來，創造了一個微型光學發電機。

林雪平大學有機電子實驗室正在演示實驗

在這種薄膜中，當材料被加熱或冷卻時，材料上會產生電壓。 溫度的變化導致電荷移動并在電路中產生電流。這些天線由小的金屬盤組成，他們所采用的是金納米盤，直徑為160納米。 它們被放置在基板上并涂有聚合物薄膜，以創建熱釋電性能。 納米天線可以大面積制造，可以同時讓數十億個小圓盤均勻分布在表面。天線產生熱量，然后在聚合物的幫助下轉化為電能。

為了清楚地演示這種效果，研究人員設計了一項實驗，他們在電風扇吹出的氣流中，拿著一根有葉子的樹枝，葉子的運動在光發生器上產生陽光和陰影，光發生器反過來產生微小的電脈沖，并為外部電路供電。