【導讀】
機械響應型智能窗戶作為一種綠色技術，形變學調可以實現透光率的驅動控制，但通常需要較大的幅光形變來激活。高麗大學的節仿Seokwoo Jeon教授團隊提出了一種新型材料結構，通過微小形變即可實現大幅光學調節，生壓顯著減少了調控所占的力響料牛空間。 相關論文以“Compression-sensitive smart windows: inclined pores for dynamic transparency changes”為題發表在學術期刊 Nature Communications上。應智
【成果掠影】
窗戶不僅是戶材光線進入建筑的通道，還在調節室內溫度、形變學調照明、驅動視野和隱私方面起著至關重要的幅光作用。超過50%的節仿城市能源消耗用于建筑的日常運行，尤其是生壓在溫度和照明控制上，因此設計高效窗戶已成為一個亟待解決的力響料牛難題。
相較于傳統智能窗戶解決方案，應智如液晶或熱致變色薄膜，力致變色薄膜憑借其環保、簡單的組成、低成本和快速響應脫穎而出。當彈性薄膜被拉伸時，其內部結構會在毫秒內發生變化，使窗戶從“透明”狀態變為“乳白色”，從而調節光線。然而，現有的力致變色技術需要超過15%的形變才能顯著改變透光率。以一米見方的窗戶為例，材料需拉伸超過15厘米才能達到足夠的光學調節效果，這大大限制了其實用性。盡管研究人員在材料（Adv. Sci. 2020, 7 (11), 1903708; Adv. Funct. Mater. 2021, 31 (32), 2102350）和結構（ACS Nano 2022, 16 (1), 68-77; Nanophotonics 2022, 11 (11), 2737-2762）等方面做出了很多努力以提高薄膜的拉伸靈敏度，但由于材料成分復雜化和透明度可調范圍受限，始終未能取得大的突破。
為了解決這一瓶頸，韓國高麗大學的Seokwoo Jeon教授團隊從變色墨魚的生物機制中汲取靈感，設計了一種通過沿厚度方向壓力激活的新型變色薄膜（圖1）。未受壓時，硅彈性體內部的孔洞會有效散射光線，使薄膜呈乳白色；而受到壓縮時，孔洞閉合，薄膜迅速變為透明。這一創新通過改變傳統平面內激活方式為厚度方向激活，本質上將空間需求與光學薄膜的橫向尺寸解耦，僅需0.05毫米的微小變形便可實現動態光學調節，完全擺脫了窗戶尺寸限制。
為了深入研究影響這種新型力響應光學薄膜性能的關鍵因素，團隊利用三維光刻技術和多物理場仿真，制備了高度有序的三維多孔陣列（圖2a-g）。以單次曝光成型的光刻膠作為結構模板，一步材料轉化即可制備出多孔硅彈性體薄膜（圖2h）。
通過深入分析孔洞傾斜角度對結構性能的影響，研究人員發現傾斜孔洞相比于豎直孔，能在受壓時更有效地閉合。多孔結構優化后的智能膜僅憑頭發絲直徑的厚度便可實現高達94%的光學對比度調節和95%的透光率（圖3）。得益于簡單的材料組分和結構，即使經過10萬次循環測試后，薄膜性能幾乎沒有衰退。此外，這種薄膜還能通過局部壓力調節光學性能（圖3e-f），這是傳統依賴拉伸應變的材料無法實現的。
在力致變色薄膜的應用場景中，如智能窗戶，薄膜在光學調節過程中的面積變化至關重要，因為它決定了安裝和使用時所需的空間。傳統由平面內拉伸激活的薄膜需要額外的操作空間，面積擴展通常超過10%。然而，文章基于有限元模擬提出，基于沿厚度方向壓力的激活模式，可以實現面積變化與驅動應變的解耦。因此，泊松比為零的彈性薄膜將可以在其面積不變的情況下實現對透明度等光學性質的調節（圖4）。
【核心創新點】
本文巧妙地提出新的激活模式，從根本上解決了力響應變色薄膜空間需求上的痛點：
1.大驅動形變——與傳統智能窗需要大面積應變不同，這種新型薄膜通過厚度方向的壓力激活，其所需的微米級驅動形變理論上不隨薄膜橫向尺寸變化，極大地改善了機械響應智能窗的實用性。
2.高面積膨脹——文章基于有限元模擬提出減少面積變化的新策略。通過優化這種壓力響應薄膜的多孔結構，降低材料的泊松比，可把壓縮時產生的面內面積變化降為零。顯著降低了薄膜進行動態光學調控的空間需求。
【數據概覽】
?1.智能薄膜進行光學調控所需的驅動形變低至05mm，比文獻報道中低了兩個數量級。
2.大幅且快速光學調節：通過微米級的壓縮量，薄膜可實現高達94%的光學對比度調節，并達到95%的透光率，具有顯著的光學調控效果。響應時間約為200毫秒。
3.穩定性：經過10萬次循環測試，該材料幾乎沒有表現出性能衰退，展示了其極強的耐用性。
4.低面積變化：薄膜在光學調控時表現出小于5%的面積變化。
圖1 基于傾斜多孔結構的壓力響應薄膜的設計概念，該結構通過厚度方向的壓力激活。（a）兩種力響應光學薄膜的不同工作機制和驅動位移。智能薄膜在分別處于（b, d）釋放后的隱私保護模式和（c, e）壓力下的可見模式。
圖2 通過厚度壓縮模式散射體的制造和表征。(a) 示意圖展示了使用棱鏡形相位掩膜進行三維光刻工藝。SEM圖像、FDTD模擬得到的衍射圖案以及SEM對應的快速傅里葉變換頻域圖，分別為在入射角 (b 和 c) 0°、(d 和 e) 30° 和 (f 和 g) 65° 時制備的傾斜三維結構。(h) 示意圖展示了從光刻膠模板一步制備智能光學薄膜的過程。
圖3? 透光率調節性能 (a) 基于不同結構傾角的光學薄膜透光率隨壓縮位移變化的曲線；插圖展示了薄膜中多孔功能層和支撐層的各自厚度。(b) 傾斜孔角度為40.3°的光學薄膜在不同壓縮位移下的透光率。(c) 超薄的智能光學薄膜放置在花和葉子上的照片。(d) 對比本工作與文獻報道中最先進的力致變色薄膜。(e和f) 能夠進行局部光學調控的智能薄膜，可作為貓眼功能使用。
圖4.沿厚度壓縮的激活模式在最小化空間需求方面的潛力。（a）平面內拉伸和（b）厚度方向壓縮激活的智能薄膜中所需的額外面積。
【成果啟示】
這項技術的突破易于推廣普及至其他高分子彈性材料，有望為智能窗戶、微型化光學設備、透明顯示器和柔性傳感器的開發開辟廣闊的應用前景。
原文詳情：
Chen, H., Chang, G., Lee, T.H.?et al.?Compression-sensitive smart windows: inclined pores for dynamic transparency changes.?Nat Commun?15, 8074 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52305-6
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52305-6#citeas
本文由 Jench 供稿
