港中大訾云龙教授课题组《ACS Nano》：常态透明的摩擦智能窗户
The following article is from Zi Lab CUHK Author 王佳琪、訾云龙
建筑物中的窗户不仅使室内的照明和植物光合作用成为可能，也扮演着室内外信息交互媒介的角色。然而，人们更需要透射率可控的智能窗户，以实现入射建筑物的辐射调控以及隐私保护。智能玻璃技术运行机理包括电致变色、热致变色以及液晶旋转。然而，电致变色通常响应缓慢，它的响应时间需要几百米秒，且面临着光泄露的问题，因此，它的隐私保护应用受到了限制。热响应窗户因为缺少用户控制，也不是理想的选择。相比之下，基于液晶旋转的智能窗户显示出超快的响应速度，其响应时间一般为几毫秒，且用户很容易通过电场对其进行调控。据估计，通过智能窗户技术可以节约20%的室内能源消耗。然而，需要注意到智能窗户的运行同样消耗能量，且能源消耗与窗户面积成正比。这种情况下，为实现真正意义上的节能和环保，自驱动或者绿色能源智能窗户被迫切需要。
过去几年中，科学家们通过为智能窗户添加特殊功能层的方法开发自供能智能窗户。比如，吸收层（a-Si）可以作为太阳能电池，沉积在液晶窗户表面，然而这种技术严重受气候的制约而且需要同样耗电的外部模式转换电路把太阳能电池产生的直流电变成液晶驱动需要的交流电。另一种办法是使用热响应材料，然而这种技术受环境影响很大而且响应时间极慢。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, 简称TENG）的出现提供了一种全新的解决办法。TENG的输出特性为交流电、高电压、低电流，与液晶窗户的驱动要求完全一致。液晶主要包括两类：目前多数液晶窗户采用聚合物分散液晶材料（Polymer Dispersed Liquid Crystal, 简称PDLC），这种液晶需要高的电荷密度（超过220 nC/cm2），这使得大多数TENG难以直接驱动。此外，PDLC常态下为雾化状态，为保持常态透明需要供电器件的持续运行，这对器件的可靠性和寿命提出了挑战。相比之下，聚合物网络液晶（Polymer Network Liquid Crystal，简称PNLC）具有常态透明的特点，其电荷密度要求更低，更容易通过摩擦驱动。
香港中文大学、香港科技大学以及清华大学开展合作研究，将TENG与PNLC技术相结合，提出了一种常态下极度透明，环境摩擦作用下高度雾态的一种自供能智能窗户。TENG技术自2012年被首次提出以来受到广泛关注，可以有效将环境中的机械能量转换成电能，被广泛用于为各类小型电子器件供能。本研究采用了旋转式独立层滑动TENG（Rotational Freestanding Sliding TENG, 简称RFS-TENG）把环境中的机械能量转换成电能为PNLC供电。为实现高频率的交流输出，在RFS-TENG中引入了6个周期性电极，同时，为了提高系统的寿命和可靠性，在RFS-TENG中，两个摩擦层通过PVC薄膜的弹力实现了柔性接触。PNLC技术是实现智能窗户的关键。本研究中，PNLC在常态（即不加载电压下）是极度透明的，看起来与普通玻璃无异。PNLC主要由涂覆在ITO电极上的取向层、向列液晶（Nematic LC）和液晶聚合物（LC Polymer）组成。其中，液晶聚合物需要先通过紫外光固化形成网状结构。在摩擦带来的电场作用下，向列液晶产生转动而网状结构形成的液晶结构保持不变，带来了折射率的差别，从而引起散射效应和透射率的改变。通过将取向层微结构化，向列液晶旋转的随机性大大增加，从而将液晶驱动的电荷密度要求降低至60 nC/cm2，使得摩擦驱动成为可能。
图示：一种将摩擦发电机与聚合物网络液晶相结合的常态透明自供能智能玻璃，可期待未来广泛的应用前景。
此摩擦智能窗户可以实现91%的透射率变化以及78%的雾度变化，并验证了照片图案遮挡、二维码保护等应用。该器件更为广泛的应用可以在未来被预见，例如自驱动汽车智能顶棚、风能驱动的智能蔬菜大棚等等。该研究以“Normally Transparent Tribo-Induced Smart Window”为题近期发表在ACS Nano期刊上。香港中文大学机械与自动化工程系的訾云龙教授为论文的通讯作者，訾教授课题组的王佳琪博士与香港科技大学的蒙翠玲博士为论文的共同第一作者。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00107
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