杜克大学的研究人员使用石墨烯为智能窗口式设备开发了一种独特的电致变色技术，这些设备可以在从阳光中获取热量和允许物体冷却之间交替使用。这种方法可以促进暖通空调节能。
“智能窗口式”技术的演示。图片来源：杜克大学徐宝春
Duke团队表示，新的电致变色调谐方法没有任何运动部件，并且可以连续调谐。
电致变色玻璃是一项相对较新的技术，它使用电致变色反应将玻璃从透明变为不透明，然后再变回。虽然有很多方法可以造成这种现象，但它们都涉及将电响应材料夹在两层薄电极之间，并在它们之间传递电流。虽然这个技巧对可见光来说具有挑战性，但当还必须考虑中红外光（辐射热）时，它变得更加棘手。
在工作中，杜克大学机械工程和材料科学助理教授Po-Chun Hsu和他的研究生Chenxi Sui演示了一种在被动加热和冷却模式之间切换时与两个光谱相互作用的薄设备。在加热模式下，设备变暗以吸收阳光并阻止中红外光的泄漏。在冷却模式下，深色的窗户状图层会清除，同时显示一面反射阳光的镜子，并允许设备后面的中红外光消散。
由于镜子在可见光下从来都不是透明的，该设备不会更换家庭或办公室的窗户，但它可能会用于其他建筑表面。
Hsu说：“很难创造出可以在这两种政权中发挥作用的材料。”“我们的设备是有史以来最大的热辐射调谐范围之一。”
设计这种设备需要克服两大挑战。第一个是创建导电的电极层，对可见光和热辐射都透明。大多数导电材料，如金属、石墨和一些氧化物，都不兼容，因为这两种特性相互矛盾，因此徐和隋设计了自己的材料。
研究人员从一层原子厚的石墨烯开始，他们显示石墨烯太薄，无法反射或吸收这两种类型的光。但它也没有足够的导电性来传输设备大规模工作所需的电量。为了绕过这一限制，许和隋在石墨烯顶部添加了一块薄薄的金栅，作为电力高速公路。虽然这在一定程度上降低了石墨烯让光线不受阻碍地通过的能力，但权衡却足够小，值得。
第二个挑战涉及设计一种材料，这种材料可以在两个电极层之间移动，并在吸收光和热量或允许它们通过之间来回切换。研究人员通过利用一种被称为等离子体的现象来实现这一目标。当微小的纳米金属颗粒彼此相距仅纳米时，它们基本上可以根据它们的尺寸和间距捕获特定的波长光。但在这种情况下，纳米颗粒随机分布在集群中，导致与各种波长相互作用，这有助于有效地捕捉阳光。
在演示中，通过两个电极的电力导致金属纳米颗粒在顶部电极附近形成。这不仅使设备变黑，还导致整个设备吸收和捕获可见光和热量。当电流逆转时，纳米颗粒溶解回液态透明电解质。两种状态之间的过渡需要一两分钟才能完成。
Hsu说：“在现实世界中，该设备在一种或另一种状态下会花费许多小时，因此在过渡期间失去几分钟的效率只是沧海而出水。”
在日常环境中使这项技术有用方面仍然存在许多挑战。最大的可能是增加纳米颗粒在形成和分解之间的循环次数，因为原型在失去效率之前只能执行几十次过渡。冷却模式的太阳反射率也有改进的余地，徐希望在不久的将来能够实现亚环境冷却。
然而，随着技术的成熟，它可能有很多应用。该技术可能应用于外墙或屋顶，以帮助建筑物供暖和制冷，同时消耗很少的能源。为建筑提供这种使用可再生资源进行供暖和制冷的动态能力，也可以为减少使用几十年来一直是重要碳排放源的建筑材料提供机会。
Hsu说：“我可以想象这种技术会形成一种信封或立面，供建筑物被动加热和冷却，大大减少我们的暖通空调系统消耗的能源量。”“我对这项工作充满信心，并认为其未来方向非常有希望。”
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