窗户：从吸热到发电

默片

窗户是建筑能耗损失最多的地方，将近一半建筑能耗是从窗户流失的，因为窗户被称为建筑能耗的黑洞。尽管门窗行业一直在努力提高窗户的节能性，但始终很难让窗户达到建筑墙的保温效果。不断提高窗户的节能性是减少窗户能耗的一个方面，另一面不少研究人员都寄托于对太阳能的更好利用，毕竟面对能耗的流失，主动进攻总比被动防守要强。

吸热玻璃窗

不久前，在窗户与太阳能的结合方式又取得一次不小的进步，通过这项技术可以让窗户从散热变成吸热。

由哥德堡大学的 AIexandre Dmitriev带领的科学家们，与来自瑞典、中国、伊朗和美国大学的共同在《Nano Letters》上发表了一篇关于太阳热表面的论文，论文显示研究人员已经开发出一种方法，可以把普通的窗户变成太阳能加热器，利用太阳能在寒冷的天气里将窗户的温度提高到近15华氏度。

Dmitriev在接受采访时表示：这项发明出人意料的简单、廉价和有效，可以把普通的玻璃窗变成太阳能加热屏，这种方法可以显著改变生活和工作空间的热平衡，尤其是考虑到现代建筑中，表面巨大的玻璃使用量在不断增加。

这项新的表面是纳米技术的一项应用，其主要的功能部件是等离子体纳米天线。这些微型天线由镍铝氧化物三明治制成，形状像纳米椭圆，并以阵列的形式排列在玻璃上。 借助于这些材料表面的电子振荡或表面等离子体激元，纳米天线将高效的吸收光线，加热整个表面。

在这项新的研究中，研究人员证明，当阳光照射在表面上时，光从正面（带有天线）比从背面（基板）吸收效率更高。这种光吸收的方向性使窗户表面具有吸引力，因此阳光可以最有效地从窗户外面吸收。 此外，玻璃表面高度透明，看起来无色，几乎可以保持阳光正常照射。

冷窗对建筑物供暖的影响比预期的要大，因为，当一个人坐在冰冷的窗户旁边时，他的身体会向窗户辐射热量，而窗户就像一个“散热器”，为了补偿这种热量损失，需要增加室内温度，以维持一个舒适的环境。 由于新的窗户表面可以将窗户的温度提高几度，因此具有不小的节能潜力。

新的电致变色玻璃

去年，中国沈阳东北大学宋焱焱和南京大学夏兴华的两位学者共同《ACS Nano》上发表了一篇关于新型无菌智能窗的论文，他们所研发了一种新型的薄膜，不但具有以上提到的吸热功能，而且能够通过变色调节控制阳光的进入，同时还能消除了生活在玻璃上的大肠杆菌。

（a）纳米天线表面的艺术描绘。 （b）纳米天线的扫描电子显微镜显微照片。 （c）贴在窗户上的新平面照片。

将多个功能集成到一个产品上是一个挑战，因为每个功能通常需要不同的材料组成。 例如，控制可见光传输的智能窗户使用最广泛的材料是 WO3（三氧化钨），WO3作为一种电致变色材料，在电化学充放电过程中可以可逆地改变其光学透过率； 另一方面，将近红外线太阳辐射转化为热量的智能窗户通常使用金属纳米粒子； 此外，广泛使用具有抗菌性能的材料中，效果最明显的是铜。到目前为止，将所有这些特性组合成一种材料仍然是一个挑战。

他们所设计的这种电致变色光热薄膜，由WO3组成，呈蜂窝状结构，内嵌金纳米粒子和纳米棒。 WO3负责控制通过窗户的可见光量，金纳米结构将入射的阳光转化为热能，用于加热建筑内部。通过电致变色薄膜的太阳能增益优化，实现了卓越的光热转换，而且重要的是，在光传输过程中光热效率可以调节。

使用这种薄膜的窗户可以在几分钟内从完全透明变成一片漆黑。他们还发现，近红外线激光可以在大约5分钟内将窗户的温度提高24摄氏度。

为了研究窗口的抗菌特性，研究人员用大肠杆菌处理窗口，并用近红外激光照射窗口。 他们发现，当窗户处于黑暗状态时，杀菌效果最强，在这种状态下，几乎可以消灭所有的细菌。 相比之下，对于透明状态的窗户，以及那些只用 WO3或只用金纳米结构制成的窗户，而不是两种材料的组合，这种效果要弱得多。 结果表明，杀菌效果主要是由窗口的光热特性决定的。

在绿叶摇曳中发电

瑞典林雪平大学有机电子实验室的研究人员曾参与吸热玻璃窗的研究，也是那篇论文的参与者之一样。在不久前，瑞典林雪平大学有机电子实验室的研究人员发明了一种方法和一种材料，当光线在阳光和阴影之间波动时，这种材料可以产生电脉冲。 因此，将来有可能利用在风中飘动的树叶来获取能源。

有机电子实验室有机光子和纳米光学研究小组的讲解员和学术带头人林雪平大学 Magnus Jonsson介绍说：植物的光合作用系统不断受到阳光和阴影的影响，内部从而会产生不同的变化。 我们从中获得了灵感，并开发了一种材料组合，在这种材料中阳光和阴影之间的加热变化可以产生电能。

可以控制可见光透射

之前他们在《Nano Letters》上共同发表的文章，描述了如何将纳米天线与窗户玻璃结合起来，可以减少寒冷气候中能量的流失，其中的原理便是那些尺寸为几十纳米的天线，它们对近红外光产生反应并产生热量。现在林雪平大学的研究人进一步开发了这项技术，并通过将小天线和热释电薄膜结合起来，创造了一个微型光学发电机。

林雪平大学有机电子实验室正在演示实验

在这种薄膜中，当材料被加热或冷却时，材料上会产生电压。 温度的变化导致电荷移动并在电路中产生电流。这些天线由小的金属盘组成，他们所采用的是金纳米盘，直径为160纳米。 它们被放置在基板上并涂有聚合物薄膜，以创建热释电性能。 纳米天线可以大面积制造，可以同时让数十亿个小圆盘均匀分布在表面。天线产生热量，然后在聚合物的帮助下转化为电能。

为了清楚地演示这种效果，研究人员设计了一项实验，他们在电风扇吹出的气流中，拿着一根有叶子的树枝，叶子的运动在光发生器上产生阳光和阴影，光发生器反过来产生微小的电脉冲，并为外部电路供电。