▎導讀

從摩天大樓的玻璃幕墻，到新能源汽車的全景天窗，再到飛機的大尺寸舷窗，在現代城市的高樓大廈和新型交通工具中，透明結構已成為不可或缺的重要元素。然而，隨著科技的迅猛發展，光污染和電磁污染已成為不可忽視的重要公共健康問題。傳統窗戶在方面表現乏力，亟需增強功能，以應對這些挑戰。

透射率和霧度是表征光學性能的重要參數，不僅影響窗戶的性能，更直接關系到用戶體驗。透射率可調節室內照明強度，從而助力節能；而霧度則在保護隱私方面發揮重要作用。然而，傳統的光傳輸和散射調節通常需要不同的材料系統和設備。此外，電磁波調控也是未來窗戶技術的重要方向，但現有智能窗尚未解決這一問題。

鑒于此，哈爾濱工業大學朱嘉琦課題組創新性地研發了一種多光譜智能窗。這款智能窗不僅能夠調節可見光，還具備屏蔽微波信號的功能。其結構包括一個由負性液晶、離子型表面活性劑和二色性染料組成的核心液晶混合物，以及垂直排列的聚酰亞胺層和氧化銦錫（ITO）膜，全部封裝在玻璃基板內。液晶混合物作為光調制介質，而ITO薄膜因其光學透明性和導電性，既充當電極又提供微波屏蔽功能。

該成果發表在Light: Science Applications，題為“Multispectral Smart Window: Dynamic Light Modulation and Electromagnetic Microwave Shielding”。

圖1：多光譜智能窗效果圖

▎介紹

團隊利用液晶動態散射技術和二色染料的賓主效應，實現了可見光透射和散射的獨立快速調節。該系統能夠在透明、吸收和霧態之間靈活切換，有效控制室內光環境。此外，提出并驗證了一種新的離子運動模型和介電常數調制策略。基于該策略，通過優化陰陽離子的摻雜比例，成功將最佳驅動頻率調整至約300赫茲，從而在低頻率下實現了透明、吸收和霧態之間的高效切換。圖2展示了多光譜智能窗的可見光調控策略，包括不同模式的調光控制策略、離子運動模型及其對應的介電譜，以及通過優化陰陽離子的摻雜來改變最佳驅動頻率的策略。

圖2：多光譜智能窗的可見光調控策略。(a) 三態切換多光譜智能窗的不同模式調光控制策略及效果示意圖；(b) 離子運動狀態及其電導率譜；(c) 摻雜離子混合物等效電路及其介電譜；(d) 摻雜不同類型、含量粒子運動示意圖

另一方面，本研究通過設計ITO膜的厚度，在2-18 GHz寬波段電磁屏蔽效果顯著提高至30.9 dB，同時最大限度地減小對光學透明度的影響。圖3展示了多光譜智能窗的微波調控策略以及實驗驗證，包括在2-18 GHz頻率范圍內隨結構表面電阻變化的屏蔽效率模擬和測試結果，以及在5 GHz波入射時，窗后不同電阻值的人體頭部電場分析。

圖3：多光譜智能窗的微波調控策略。(a) 218 GHz頻率范圍內，隨結構表面電阻變化的屏蔽效率模擬云圖；(b) 具有5 sq-1 ITO膜的樣品的模擬、測量和擬合屏蔽效能；(c) 5 GHz 波入射時，窗后不同電阻值的人體頭部電場分析。

▎展望

相比現有材料，該研究開發的多光譜智能窗不僅具備卓越的電磁屏蔽和光學調節性能，還實現了獨特的功能，使其在傳統結構和裝置中脫穎而出。圖4(a)展示了該智能窗在五個維度（響應時間、透射率調節范圍、霧度調節范圍、驅動電壓和光學調節模式）上相對于現有電控智能窗技術的優勢。圖4(b)則展示了該智能窗覆蓋更廣泛的屏蔽波段，包括S、C、X、Ku波段的電磁波，與現有透明電磁屏蔽材料相比，體現了顯著的競爭力。此外，這種方法的電磁屏蔽效果明顯優于商用PDLC（聚合物分散液晶）材料，顯示了其在建筑與交通市場中的巨大應用潛力。

圖4：多光譜智能窗的現狀分析。(a) 電控類智能窗的研究現狀對比 (EC，電致變色智能窗；SPD，懸浮粒子裝置) ；(b) 微波屏蔽透明材料的研究現狀對比

隨著智能材料和通信技術的不斷進步，智能窗技術也在快速升級，推動世界朝著更加節能和智能化方向發展。一種適應復雜光-電磁環境的智能透明結構，智能光限幅調波結構，日益受到關注。這種結構依靠精確的液晶排列和創新的響應材料，可以實現先進的調光功能，不僅能控制光線方向，還能根據外部條件自動進行熱調節。通過結合可重構智能表面的設計，智能窗不僅能有效管理通信信號，擴大無線通信的覆蓋范圍，減少通信延遲。此外，融合了太陽光譜和電磁調制的新技術，多光譜智能窗正在改變未來建筑和交通的面貌。這種革命性的設計將使現代建筑和交通系統更加節能高效，更具信息處理能力，從而推動整個行業向智能化和綠色化方向發展。

▎論文信息

Zhang, R., Song, Z., Cao, W. et al. Multispectral smart window: Dynamic light modulation and electromagnetic microwave shielding. Light Sci Appl 13, 223 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01541-y