建築物中的窗戶不僅使室內的照明和植物光合作用成為可能，也扮演著室內外信息交互媒介的角色。然而，人們更需要透射率可控的智能窗戶，以實現入射建築物的輻射調控以及隱私保護。智能玻璃技術運行機理包括電致變色、熱致變色以及液晶旋轉。然而，電致變色通常響應緩慢，它的響應時間需要幾百米秒，且面臨著光洩露的問題，因此，它的隱私保護應用受到了限制。熱響應窗戶因為缺少用戶控制，也不是理想的選擇。相比之下，基於液晶旋轉的智能窗戶顯示出超快的響應速度，其響應時間一般為幾毫秒，且用戶很容易通過電場對其進行調控。據估計，通過智能窗戶技術可以節約20%的室內能源消耗。然而，我們需要注意到智能窗戶的運行同樣消耗能量，且能源消耗與窗戶面積成正比。這種情況下，為實現真正意義上的節能和環保，自驅動或者綠色能源智能窗戶被迫切需要。過去幾年中，科學家們通過為智能窗戶添加特殊功能層的方法開發自供能智能窗戶。比如，吸收層（a-Si）可以作為太陽能電池，沉積在液晶窗戶表面，然而這種技術嚴重受氣候的制約而且需要同樣耗電的外部模式轉換電路把太陽能電池產生的直流電變成液晶驅動需要的交流電。另一種辦法是使用熱響應材料，然而這種技術受環境影響很大而且響應時間極慢。
摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator, TENG）的出現提供了一種全新的解決辦法。TENG的輸出特性為交流電、高電壓、低電流，與液晶窗戶的驅動要求完全一致。液晶主要包括兩類：目前多數液晶窗戶採用聚合物分散液晶材料（Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC），這種液晶需要高的電荷密度（超過220 nC/cm2），這使得大多數TENG難以直接驅動。此外，PDLC常態下為霧化狀態，為保持常態透明需要供電器件的持續運行，這對器件的可靠性和壽命提出了挑戰。相比之下，聚合物網絡液晶（Polymer Network Liquid Crystal, PNLC）具有常態透明的特點，其電荷密度要求更低，更容易通過摩擦驅動。香港中文大學、香港科技大學以及清華大學開展合作研究，將TENG與PNLC技術相結合，提出了一種常態下極度透明、環境摩擦作用下高度霧態的一種自供能智能窗戶。TENG技術自2012年被首次提出以來受到廣泛關注，可以有效將環境中的機械能量轉換成電能，被廣泛用於為各類小型電子器件供能。本研究採用了旋轉式獨立層滑動TENG（Rotational Freestanding Sliding TENG, RFS-TENG）把環境中的機械能量轉換成電能為PNLC供電。為實現高頻率的交流輸出，在RFS-TENG中引入了6個週期性電極，同時，為了提高系統的壽命和可靠性，在RFS-TENG中，兩個摩擦層通過PVC薄膜的彈力實現了柔性接觸。PNLC技術是實現智能窗戶的關鍵。本研究中，PNLC在常態（即不加載電壓下）是極度透明的，看起來與普通玻璃無異。PNLC主要由塗覆在ITO電極上的取向層、向列液晶（Nematic LC）和液晶聚合物（LC Polymer）組成。其中，液晶聚合物需要先通過紫外光固化形成網狀結構。在摩擦帶來的電場作用下，向列液晶產生轉動而網狀結構形成的液晶結構保持不變，帶來了折射率的差別，從而引起散射效應和透射率的改變。通過將取向層微結構化，向列液晶旋轉的隨機性大大增加，從而將液晶驅動的電荷密度要求降低至60 nC/cm2，使得摩擦驅動成為可能。
圖1. 將摩擦發電機與聚合物網絡液晶相結合的常態透明自供能智能玻璃，可期待未來廣泛的應用前景。
此摩擦智能窗戶可以實現91%的透射率變化以及78%的霧度變化，並驗證了照片圖案遮擋、二維碼保護等應用。該器件更為廣泛的應用可以在未來被預見，例如自驅動汽車智能頂棚、風能驅動的智能蔬菜大棚等等。該研究以近期發表在ACS Nano期刊上。香港中文大學機械與自動化工程系的訾雲龍教授為論文的通訊作者，訾教授課題組的王佳琪博士與香港科技大學的蒙翠玲博士為論文的共同第一作者。
Normally Transparent Tribo-Induced Smart Window
Jiaqi Wang, Cuiling Meng, Qian Gu, Man Chun Tseng, Shu Tuen Tang, Hoi Sing Kwok, Jia Cheng, Yunlong Zi*
ACS Nano, 2020, 14, 3630-3639, DOI: 10.1021/acsnano.0c00107
（本文由
王佳琪、訾雲龍供稿）閱讀更多 X一MOL資訊 的文章
