新的窗戶涂層可讓可見光進(jìn)入，但會阻擋熱量。

在炎熱的天氣里，家中高達(dá) 87% 的熱量是通過窗戶散發(fā)的。陽光中的紫外線很容易穿過玻璃，使房間升溫，從而增加了空調(diào)使用時長，或者通過拉上窗簾或拉下百葉窗來放棄任何光線。不過，圣母大學(xué)（University of Notre Dame）的研究人員開發(fā)出一種窗戶涂層，可以阻擋產(chǎn)生熱量的紫外線和紅外線，同時允許可見光進(jìn)入，從而降低室溫和制冷能耗。

透明涂層在減少產(chǎn)生熱量的紫外線和紅外線的同時，還能提供完整的視野。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《細(xì)胞報告物理科學(xué)》雜志上。

圣母大學(xué) M?NSTER 實(shí)驗(yàn)室（分子/納米級傳輸和能源研究實(shí)驗(yàn)室）負(fù)責(zé)人羅騰飛表示，就像偏振太陽鏡一樣，新的涂層可以降低入射光的強(qiáng)度，但與太陽鏡不同的是，新的涂層即使在不同角度傾斜時也能保持清晰和有效。

2022年，羅和他的同事利用平面多層（PML）光子結(jié)構(gòu)制造了一種玻璃涂層。這些堆疊的超薄層具有獨(dú)特的折射率，可以根據(jù)光的波長選擇性地透射或反射光線。他們將二氧化硅、氧化鋁和氧化鈦堆疊在玻璃基底上，再在上面覆蓋一層薄薄的硅聚合物（PDMS），以反射熱輻射（即受熱表面向各個方向發(fā)射的電磁輻射），從而產(chǎn)生了一種透明涂層，他們說這種涂層的性能優(yōu)于市場上的其他減熱涂層。

由于窗戶通常是垂直安裝的，一天中直射到窗戶上的陽光會隨著太陽的移動而變化?，F(xiàn)有的窗戶涂層往往針對以 90 度角進(jìn)入的光線進(jìn)行優(yōu)化，因此它們阻擋光線的能力取決于所謂的太陽入射角。中午是一天中最熱的時候，太陽光以斜角射入窗戶，這意味著大多數(shù)涂層的阻擋效果較差。

▲ 節(jié)能窗示意圖

研究人員使用了量子計算輔助機(jī)器學(xué)習(xí)模型。具體來說，他們使用了主動學(xué)習(xí)和量子退火，前者是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個子集，其中學(xué)習(xí)算法可以交互式地詢問用戶以標(biāo)注數(shù)據(jù)，后者則利用量子物理學(xué)來尋找最優(yōu)或接近最優(yōu)的元素組合。

量子輔助主動學(xué)習(xí)方法使研究人員能夠優(yōu)化 PML 結(jié)構(gòu)的配置，它可以用來解決非常復(fù)雜的優(yōu)化和設(shè)計問題，而這項(xiàng)工作中的復(fù)雜優(yōu)化問題很難用傳統(tǒng)算法來解決。為創(chuàng)建這種涂層而開發(fā)的主動學(xué)習(xí)和量子計算方案可用于設(shè)計具有復(fù)雜特性的各種材料。

最終研究人員制造出了一種透明涂層，可以在很大的入射角度范圍內(nèi)選擇性地透射和反射光線。然后，他們對其進(jìn)行了測試。鍍膜窗戶和普通玻璃窗戶被垂直放置在相同的室外試驗(yàn)室中。研究人員測量了每個室的白天溫度。他們還將玻璃窗水平放置，面向天空，模擬機(jī)動車的天窗進(jìn)行測試。與普通玻璃相比，鍍膜玻璃表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能，在各種入射角度下都能將溫度降低 41.7 °F 至 45 °F（5.4 °C 7.2 °C）。

陽光與窗戶之間的角度一直在變化，但無論太陽在天空中的位置如何，新的涂層都能保持功能性和效率。

為了估算使用光子結(jié)構(gòu)作為窗戶的制冷節(jié)能效果，研究人員使用 EnergyPlus 軟件模擬了不同城市標(biāo)準(zhǔn)辦公室的能耗。結(jié)果表明，美國所有城市每年可節(jié)約高達(dá) 97.5 兆焦耳/平方米。這種節(jié)能效果在世界各地的城市都得到了體現(xiàn)，包括熱帶氣候地區(qū)的城市。

上圖：地圖顯示美國使用窗戶涂層后估計每年可節(jié)省的制冷能源。

下圖：全球 16 個選定城市的年制冷能耗估算。

研究人員預(yù)計，他們的新型窗戶涂層將有多種用途，包括商業(yè)、住宅建筑和汽車。

研究人員認(rèn)為新涂層對汽車車窗特別有用，它可以用作天窗/月窗玻璃。它甚至可以用于擋風(fēng)玻璃。

研究人員仍需確定窗口涂層的可擴(kuò)展性，他們認(rèn)為隨著擴(kuò)大規(guī)模，新的圖層可能會很便宜。這種涂層可以使用工業(yè)規(guī)模的涂層工藝制造。涂層中的材料都是非常普通的材料（沒有外來材料）。

▌編輯：同辰建筑

▌來源：友綠網(wǎng)