被动加热和冷却技术中“类似智能窗户”部分的演示。电导致设备要么变得透明(左)以显示反射阳光并允许热量逸出的镜子，要么变暗并带有微小的纳米粒子(右)，这既捕获阳光又捕获热量。学分:杜克大学徐宝春任何一个在炎热的夏天把车停在阳光下的人都知道，玻璃窗很能让阳光进来，但却很难让热量出去。现在，杜克大学的工程师已经开发出了类似智能窗户的技术，通过开关的翻转，可以在从阳光中获取热量和让物体冷却之间交替。这种方法可能有利于暖通空调的节约，仅在美国就有可能减少近20%的能源使用。
电致变色技术——通电后会改变颜色或不透明度的材料——在10月14日发表在《美国化学学会能源快报》杂志上的一篇论文中有详细介绍。
杜克大学机械工程和材料科学助理教授徐宝春说:“我们展示了第一个能够在太阳能加热和辐射冷却之间切换的电致变色设备。"我们的电致变色调谐方法没有任何运动部件，并且是连续可调的."
由电致变色玻璃制成的智能窗户是一种相对较新的技术，它利用电致变色反应将玻璃从透明变为透明，并在一眨眼的时间内再次变回透明。虽然有许多方法可以产生这种现象，但它们都涉及将电响应材料夹在两个薄层电极之间，并在它们之间传递电流。虽然这个技巧对于可见光来说很难实现，但当必须考虑中红外光(辐射热)时，就更难了。
在这篇论文中，徐和他的研究生陈锡穗展示了一种薄的装置，它可以在被动加热和冷却模式之间切换，同时与两种光谱相互作用。在加热模式下，该设备变暗以吸收阳光并阻止中红外光逸出。在冷却模式下，变暗的窗口状层会变得清晰，同时露出一面反射阳光的镜子，让设备后面的中红外光消散。
因为镜子对可见光从来都不透明，所以这种设备不会取代家庭或办公室的窗户，但它可能会用于其他建筑表面。
“很难创造出能在这两种状态下发挥作用的材料，”徐说。"我们的设备拥有迄今为止最大的热辐射调谐范围之一."
分解查看新的被动加热和冷却技术的各层，该技术被调整为与可见光和热辐射相互作用。学分:杜克大学徐宝春设计这样一个装置需要克服两大挑战。第一个是创造导电的电极层，对可见光和热辐射都是透明的。大多数导电材料，如金属、石墨和一些氧化物不符合要求，因为这两种性质相互矛盾，所以徐和隋设计了自己的材料。
研究人员从一层一个原子厚的石墨烯开始，他们发现石墨烯太薄，不能反射或吸收任何一种光。但是它的导电性也不足以传输设备大规模工作所需的电量。为了绕过这一限制，徐和隋在石墨烯上添加了一层薄的金网格，作为电力的高速公路。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，但代价很小，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来回切换，吸收光和热，或者让它们通过。研究人员通过利用一种叫做等离子体的现象实现了这一点。当微小的纳米级金属颗粒彼此相距几纳米时，它们基本上可以根据尺寸和间距捕获特定波长的光。但是在这种情况下，纳米粒子随机分布在簇中，导致与宽范围波长的相互作用，这有利于有效地捕获阳光。
在演示中，电流通过两个电极，导致金属纳米颗粒在顶部电极附近形成。这不仅会使设备变黑，还会导致整个设备吸收和捕获可见光和热量。当电流反向时，纳米粒子溶解回液体透明电解质中。两种状态之间的转换需要一两分钟才能完成。
“在现实世界中，该设备会在一种状态或另一种状态下花费很多时间，因此在转换过程中损失几分钟的效率只是沧海一粟，”徐说。
要让这项技术在日常环境中发挥作用，仍有许多挑战。最大的可能是增加纳米粒子在形成和分解之间循环的次数，因为原型在失去效率之前只能进行几十次转变。冷却模式的太阳反射率也有改进的空间，徐希望在不久的将来能够实现低于环境温度的冷却。
然而，随着技术的成熟，它可能会有许多应用。这项技术可能会应用于外墙或屋顶，以帮助加热和冷却建筑物，同时消耗很少的能源。为建筑围护结构提供使用可再生资源进行供暖和制冷的动态能力，也可以为使用更少的建筑材料创造机会，这些材料几十年来一直是碳排放的重要来源。
“我可以想象这种技术形成一种外壳或立面，让建筑被动地加热和冷却它们，大大减少我们的暖通空调系统必须消耗的能量，”徐说。“我对这项工作很有信心，认为它未来的方向很有希望。”
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