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南京大學(xué)張秋紅、賈敘東團(tuán)隊(duì)/斯坦福鮑哲南教授合作《AFM》：超高柔韌性的水凝膠應(yīng)用于熱致變色智能窗
智能窗在調(diào)節(jié)陽(yáng)光和能源管理方面顯示出強(qiáng)大的潛力，根據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)制常分為電致變色智能窗、光致變色智能窗和熱致變色智能窗，其中熱致變色智能窗響應(yīng)外部溫度變化，無(wú)需額外施加能量，具有更實(shí)際的研究意義。目前常見(jiàn)的熱致變色材料有可相變的無(wú)機(jī)二氧化釩、鈣鈦礦和有機(jī)液晶等，但是仍沒(méi)有一個(gè)可以同時(shí)擁有可調(diào)熱響應(yīng)溫度、高柔韌性、寬調(diào)節(jié)度和主動(dòng)響應(yīng)性的體系。
南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張秋紅副教授、賈敘東教授和斯坦福鮑哲南教授提出了一種基于多臂苯氨基甲基倍半硅氧烷（南大-42 POSS，Macromolecules, 2011, 44 , 550-557）交聯(lián)的聚環(huán)氧乙烷/聚環(huán)氧丙烷（PEO/PPO）的新型水凝膠，該水凝膠具有智能窗材料所需的多種特性。此外，通過(guò)摻入微量的金納米棒，水凝膠可根據(jù)光照變化來(lái)更加迅速地自發(fā)調(diào)節(jié)透過(guò)率。同時(shí)，該材料的高韌性和高拉伸性（10000％應(yīng)變）也為將來(lái)其在可穿戴柔性器件中的應(yīng)用提供了可能。
為了實(shí)現(xiàn)智能窗的高柔韌性、寬可調(diào)性和自調(diào)節(jié)能力，研究人員設(shè)計(jì)了一系列基于PEO/PPO的熱致相變聚氨酯水凝膠（圖1）。該水凝膠的軟段PEO/PPO在水中因分子量和嵌段比例的不同，表現(xiàn)出一定范圍的最低共溶溫度（LCST）。將異佛爾酮二異氰酸酯和1,4-丁二醇作為硬段和擴(kuò)鏈劑，可以制備出具有不同微相分離形態(tài)的聚氨酯。通過(guò)調(diào)節(jié)南大-42 POSS的含量，可以進(jìn)一步調(diào)整智能窗的機(jī)械性能和熱響應(yīng)溫度。
圖1. 基于POSS交聯(lián)的含PPG-PEG-PPG嵌段共聚物的聚氨酯水凝膠化學(xué)結(jié)構(gòu)
研究人員測(cè)定了不同交聯(lián)度的水凝膠隨溫度變化的透過(guò)率，其中水凝膠POSS-0.2的LCST約為30℃，貼近智能窗的熱致變色溫度要求。該水凝膠在水中用手指觸碰即可變色（movie1）進(jìn)一步測(cè)定了水凝膠POSS-0.2在不同波段的光調(diào)節(jié)能力（ΔTlum=83.3%, ΔTIR=49.1%, ΔTsolar=58.2%），并且測(cè)得水凝膠POSS-0.2在300個(gè)冷熱循環(huán)中保持了相變的穩(wěn)定性。（圖2）
圖2. 不同組分水凝膠的熱致相變、力學(xué)性能和光調(diào)節(jié)能力比較
為了讓水凝膠材料能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為熱能，具備自主熱響應(yīng)能力，研究人員將極微量的金納米棒分散在水凝膠基體中，該復(fù)合材料的相變行為在日光下變得很明顯。使用紅外熱像儀監(jiān)控其隨太陽(yáng)輻射持續(xù)時(shí)間的溫度變化，與對(duì)照樣品相比，具有金納米棒的樣品顯示出更快的加熱速率。（圖3）
圖3. 摻入金納米棒后水凝膠的熱致相變性能
POSS-PEO/PPO交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)顯示出非常高的可拉伸性，斷裂應(yīng)變約為6000％， 當(dāng)將其完全溶脹為水凝膠時(shí)，可拉伸性進(jìn)一步提高，最大應(yīng)變超過(guò)10000％，同時(shí)水凝膠還顯示出非常好的彈性。此外研究人員發(fā)現(xiàn)水凝膠拉伸至100％，仍有明顯的熱致相變行為，測(cè)定了水凝膠拉伸50％時(shí)ΔTsolar=60％，表明該水凝膠有望用于有應(yīng)變的曲面場(chǎng)景。（圖4）此外，研究人員研究了水凝膠樣品在加熱的可拉伸電路表面的透明度變化（movie 2）。
圖4. 水凝膠POSS-0.2的拉伸性能和拉伸狀態(tài)下的熱致相變性能
