智能窗材料利用自身结构的独特性，可响应性对紫外光、近红外光等入射光行为进行动态调控，应用于隐私防护、光污染治理、建筑节能等领域。通过掺杂光敏性纳米颗粒、电沉积活性组分、热响应聚合物组装等技术，可开发光致变色、电致变色、热致变色等不同作用机制的光控材料及智能窗器件。然而，由于智能窗材料结构上的自身脆性、组分整合衍生的界面缺陷及材料属性不匹配导致的机械应力集中等问题，对于开发具有机械抗冲击性，兼具快速光响应、低热导性、稳定/循环耐用性的智能光控材料与智能窗器件依然具有挑战性。
近日，我校能源与化工产业技术研究院（产研院）许光文教授团队，赵大伟老师指导的硕士研究生陈珊利用生物质纤维素在分子尺度进行结构调控与特性设计，开发了一种自防御型智能窗材料与器件。该工作以沈阳化工大学为第一完成单位在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》（IF：19.924）上发表研究论文‘Robust Solvatochromic Gels for Self‐defensive Smart Windows’ (https://doi.org/10.1002/adfm.202214382)。研究人员，通过调控纤维素与聚丙烯酰胺分子间的卷曲强度，构建的一种基于乙醇逃逸与捕获双重响应性、微观结构稳定性、密集纳米凸起形貌的溶液致变色醇凝胶（Solvatochromic alcogel），赋予了智能窗器件强悍的机械抗冲击（自防御性）及快速、动态光调控性（图1）。
图1纤维素醇凝胶分子构建策略与光调控性能展示（Advanced Functional Materials 2023, 2214382）
该醇凝胶表现出快速响应的光管理行为，透光率可在85%-5%内动态切换，切换时间仅为8s，即使经历超过180次的循环光调控行为,该凝胶依然具有良好的响应速度与光性能稳定性。与此同时，溶液致变色醇凝胶拥有强悍的力学性能，其抗拉伸强度、弹性模量、比抗冲击强度，分别达到13.65 MPa、60.6 MPa及42.8 kJ m−2（图2），优于传统功能凝胶、玻璃、钢化玻璃与商用智能玻璃等材料。
图2 溶液致变色醇凝胶优越的机械性能（Advanced Functional Materials 2023, 2214382）
基于溶液致变色醇凝胶出色的光调控性能与强悍的机械力学特性，研究者设计了一种仅溶剂刺激的自防御型智能窗器件，其可达到的循环调控光响应行为超过100次（图3），且可根据个人喜好实时调控智能窗的光透过率。相比于已报道的智能窗器件，该自防御型智能窗展现出较低的导热系数0.214 W m−1 K−1，及强悍的抗外力破损行为，在建筑节能、自我防御及固碳循环等领域展现出巨大的潜力应用。
图3 基于溶液致变色醇凝胶的自防御型智能窗器件研究（Advanced Functional Materials 2023, 2214382）
总结：该研究提出了一种分子尺度的超分子构型调控策略制备高性能溶剂变色纤维素凝胶材料。该纤维素凝胶表现出快速的光开关和强悍的机械性能。基于其开发的自防御智能窗，表现出动态、可靠、可循环的光开关行为及机械抗破损性。通过分子模拟与实验验证表明该醇凝胶优势性能源于纤维素-聚丙烯分子间协同的超分子卷曲和连贯分子拓扑结构，该设计策略可推广至其他生物质材料及聚合物，用于指导和开发独特功能性智能材料与智能器件。
