「作為年輕孩子的母親，我非常不願意出差。過去十年，參加國際會議的次數不超過十次。所幸，我需要任何的技術支持，僅僅一封郵件，都能得到善意的回應和有效的合作。」新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院教授龍禕表示。在同行眼中，她是研究智能窗戶的集大成者。2021 年末，曾有一篇被業內譽為是領域內里程碑式的論文，發表在 Science上。
圖 | 龍禕（來源：龍禕）
研發新型可編制方法，有效調節可見光、太陽能和熱輻射
合作，讓她不斷產出佳作。該團隊 2/3 的論文合作老師都是「網友」。她說：「四海之內皆合作朋友。學術自由和學術圈同行之間的惺惺相惜，也是這份工作感人的部分。」
這不，憑藉合抱之力，她和團隊的新論文又成為 ACS Energy Letters（IF 23.1）的封面論文 [1]，題目叫《基於可切換編織表面的按需太陽和熱輻射管理》（On-Demand Solar and Thermal Radiation Management Based on Switchable Interwoven Surfaces）。
其中一位審稿人評價稱，該論文報告了一種可重新配置的編織表面，可以動態切換重疊序列，以實現窗戶、牆壁/屋頂的頻譜選擇性和超寬帶調製，並具有不錯的頻譜調製和節能性能。
在近中紅外光譜中，該表面能以相反的方式進行切換，同時保持較高的可見光透過，性能超過此前報告的最佳被動輻射冷卻的智能窗戶，可見光透射率（Tlum = 0.50）和長波紅外調製（Δε = 0.57）增加一倍以上。
該方法兼具通用性和可擴展性，針對不同需求，很容易被設計出不同的光譜選擇性和超寬帶調製，可用於各種頻譜調製場景，比如隱形、防偽和光譜調控等。
據悉，龍禕、北卡羅來納州立大學機械航空系副教授尹傑和浙江大學譚剛教授擔任共同通訊作者；龍禕老師的博士生的柯宇傑博士擔任第一作者，尹教授的博士生李艷斌博士是同一作者。
圖 | 相關論文（來源：ACS Energy Letters）
對於該論文，還有兩位審稿人分別表示：「該論文展示了一種新型可編制方法，能有效調節可見光、太陽能、以及熱輻射，方法新穎且性能優越。」「（這是）一種有效且通用的方法，可以通過交織表面實現可切換太陽能加熱、和輻射冷卻的動態建築圍護結構。這項工作在基本科學理解和現實應用之間取得了很好的平衡。」
「這可能是 ACS Energy Letters 第一張寫實攝影封面」
龍禕介紹稱，建築物占全球約 51% 的電力和約 33% 的碳排放，減少建築能耗是人類的當務之急。建築表面從太陽中獲取熱量，即吸收紫外線-可見-近紅外（UV-Vis- NIR) 來加熱建築。同時，建築表面通過輻射冷卻、也就是長波近紅外（2.5-20μm）的形式，向寒冷的外層空間輻射熱量，來實現建築物的冷卻。因此，在四季分明的國家，超寬帶調製是一個技術難題。
窗戶，是建築中最不節能、也最複雜的部分，其帶來的消耗占一級能源總耗 4%。2021 年，該課題組提出採用二氧化釩（VO₂）的智能材料，實現了被動調控 [2]；後又通過窗戶翻轉和水凝膠的相變，實現了主動調控 [3]。
儘管如此，以上方法的調控範圍仍然有限，在高樓很難起作用。同時，該團隊也意識到窗戶和牆體，對光譜選擇性要求不同：牆體屋頂相對比較簡單，只需調節太陽制熱和輻射致冷；窗戶則需要具有額外的較高可見光透光率，以節省照明和提供可視。
圖 | 理想窗戶的光譜 （上）理想牆體的光譜（下）（來源：ACS Energy Letters）
而目前，依然沒有一種有效、且通用的方法，來針對不同的應用提供設計規則，包括建築窗戶、牆壁/屋頂等。基於此，從紡織技術得到啟發，龍禕等人開發出一種可重構的編織表面，該表面能讓重疊序列進行動態切換，以實現窗戶、牆壁/屋頂的光譜選擇性和超寬帶調製，具有良好的光譜調製和節能性能。
藉助該工作，課題組提供了一種全新的可編程加熱/冷卻調製的技術。計算結果顯示，本次製備的窗戶、以及牆體的節能樣品，在全球 2 到 6 氣候區的性能，均優於商業建築材料。這種設計原理可擴展並適用於交織結構、2D-3D 表面等各種材料。
龍禕表示：「該論文為 ACS Energy Letters 主編普拉尚特·卡馬特（Prashant V. Kamat）教授邀請而寫，最終以正封面發表。關於這張封面還有個小故事，因為經費有限，我們沒法找專業團隊設計，當主編邀請我們提交封面的時候，我的學生柯宇傑說他來想辦法，這張封面就是在他家陽台拍的，這可能是 ACS Energy Letters 第一張寫實攝影封面。」
圖| 論文封面（來源：ACS Energy Letters）
「十分謙卑的開始」
能被譽為研究智能窗戶的領軍人物，靠賴於龍禕團隊整整十年的積累。2011 年 10 月， 在新加坡國家科研基金支持下，該團隊開始熱致變色智能窗戶的研究。最初幾年，課題組只有一位博士和幾位本科生，她形容稱「可謂是十分謙卑的開始」。
早期，在組裡王寧博士和劉暢博士的努力下，讓小組得以快速「進軍」該領域，也逐漸拿到新加坡教育部和國家科研基金的經費，得以慢慢展開更多工作。期間，課題組提出一些比較原創的概念和設計，比如仿生智能窗、水凝膠智能窗、雙響應智能窗、液體智能窗、多功能智能窗等。「很多工作得到了學術界同行的認同，累計獲得 11 家雜誌封面以及媒體的廣泛報道。」龍禕表示。
說到這裡就不得不提二氧化釩薄膜，這是一個接近室溫的相變材料，它的調節只限於近紅外。在高低溫的情況下，其能保持可見光的通過，故是一個比較理想的熱質變色窗戶。
但由於自身局限，它的太陽能調控非常有限。為此該團隊開展了一項科研工作，並於 2014 年報道了水凝膠的熱質窗戶 [4]，相比二氧化釩薄膜的太陽能調控得到很大提升。但是，高溫態的不透明、和材料的相對不穩定，也是它未能用於窗戶塗層的一個瓶頸。
於此同時，水凝膠的大規模製備並不容易。而且，當時所有的智能窗戶，只考慮了太陽能光調控，其他熱傳導並未考慮。鑑於水凝膠里大部分是水，而水又是自然界裡熱容較高的物質，於是課題組設計了一款液體玻璃 [5]。
這款玻璃既能調控光、還能儲存熱，可把用電高峰期的轉移到相對便宜的時段。由於其液體屬性，讓它極其容易放大以及產業化，同時也能提供的更好的隔音效果。
目前，該項目已入圍 GreenAwards 2022 London，是入選的唯一亞洲項目。該獎項於 2008 年在愛爾蘭推出，旨在表彰致力於發展綠色未來的項目。
圖 |液體玻璃入圍 GreenAwards 2022 London（右一）（來源：https://greentechfestival.com/london/#top3）
繼續說回龍禕的研究歷程。2018 年，課題組關注到關於輻射製冷的報道。彼時，學界把眾多輻射製冷的材料用在牆體和屋頂，卻從未用在玻璃上。而且更重要的一點在於，輻射製冷最好應用在熱帶國家裡，因為這些國家沒有冬季，冬季並不需要製冷。
基於此，該團隊設計了一個簡單實驗，實驗起源於龍禕的一次德國之旅，她發現德國很多窗戶可以翻轉過來，猜想可能是為了方便清潔。
所以，在實驗中他們在玻璃兩側分別塗了一款水凝膠和一層低輻射膜 [6]。結果發現，在夏天的時候，水凝膠會自動變色，從而擋掉太陽光的透過。同時，水凝膠本身也是高輻射材料，這樣就能在夏天實現阻熱和輻射製冷的效果。在冬天，他們則把低輻射那邊翻轉出來露天放置。
此外，課題組還設計了一個魚缸實驗，在新加坡戶外做了夏天的實驗，並在新加坡的第一座室內冰雪中心——雪城做了冬天的模擬。就這樣用一個簡易的方法，同時實現了冬暖、夏涼的效果。
這裡面也有個小故事，王善成博士和周洋博士申請了雪城的特別批准，必須在上午 10：30 開館前，完成所有實驗。在收好數據的第二天，雪城就因為新冠疫情關門。課題組在慶幸的同時，也非常感嘆新冠對研究人員的影響。
龍禕說：「這個設計給了我們信心。我們的合作老師譚剛教授，現在在浙江大學，他幫我們做了大量系統的節能計算。通過模擬，我們進一步確認了傳統智能窗戶的性能指標，即可見光透過（Tlum）和太陽能調控（ΔTsol），並不足以判斷窗戶的節能效果。而長波紅外調製（Δε）作為一個新指標，需要納入衡量體系。」
此外，他們發現通過窗戶來翻轉的的技術，並不適用於高樓。最理想的調節是通過材料本身的性能來調節。於是，他們再次回到非常熟悉的二氧化釩薄膜材料。對於該材料來說，如果不做結構改變，其在長波紅外範圍的波長發射率比較高，因此無法實現調節溫度所需的低溫低輻射、以及高溫高輻射的要求。
為此，課題組設計了一個法布里-珀羅諧振器，讓二氧化釩薄膜可以保持原有可見光的透過、以及近紅外的調節，同時還增加了長波紅外的調製。龍禕說：「針對這款設計，我們申請了新加坡專利。而譚教授的節能計算，則證實了此種調控在全球不同地區，相對於商業低輻射玻璃的有效節能。」
研究中他們發現，被動調控的調節範圍受到了很大限制，這是因為牆體和窗戶的設計有所不同。而在本次論文中，通過學習紡織結構、以及和各種不同材料的性能，他們展示了提高調控的有效方法。
龍禕還表示：「我們長期合作的北卡羅來納州立大學尹傑教授，是力學領域的優秀科學家，也幫我們做了大量的力學計算，確保了本次結構哪怕做成 3x3 米的大型結構，也能實現變化。」
視頻 |（來源：尹傑）
「進一寸有一寸的歡喜」
作為一個小型課題組的代領人，龍禕頗有感慨：「研究很艱辛，頗有點一把心酸淚的感覺。因為我們是一個非常小的組，最多的時候我的組也不超過 7 個組員。永遠缺經費，我們每年花大量的時間寫關於科研經費的材料，一點一點、如履薄冰地撐起組裡的日常。」
其次，多篇論文的投稿過程也經歷了各種曲折。為了說服審稿人，他們曾寫過 30 多頁的辯駁回應，成功「挽救」了一些論文。
「期間承受的壓力，如今已經學會消化和笑看。組裡的年輕人，他們異常努力和專注，有創造力、也非常有潛力。希望他們前程似錦，同時我也很感激這些年他們幫助我成長。最後想說：學術無止境。我們永遠在推翻、改進、以求了解更多。我們窮盡一生可能也無法識得全貌，但進一寸有一寸的歡喜。」
-End-
參考：
1、Ke, Y., Li, Y., Wu, L., Wang, S., Yang, R., Yin, J., ... & Long, Y. (2022). On-Demand Solar and Thermal Radiation Management Based on Switchable Interwoven Surfaces. ACS Energy Letters, 7(5), 1758-1763.
2、Science 374 (6574), 1501-1504
3、Nano Energy 89, 106440
4、Journal of Materials Chemistry A 2 (33), 13550-13555
5、Joule 4 (11), 2458-2474
6、Nano Energy 89, 106440
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