麻省理工学院科学家开发出更便宜的智能窗户透明聚合物
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麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一个能考虑到材料的弹性和厚度的预测材料透光量的新理论。基于这个理论，研究人员能够成功地预测当类橡胶透明聚合物伸展和膨胀时，透明性的变化。
三种颜色的聚二甲基硅氧烷（PDMS），一种广泛使用类橡胶透明聚合物，当下面的灯箱照射时像气球一样膨胀。上面一行是PDMS材料膨胀前形貌。下面一行膨胀后的PDMS显示出下面麻省理工学院的标志。
(图片来源：麻省理工学院Melanie Gonick)
这项研究成果已发表在《Advanced Optical Materials》期刊。
麻省理工学院土木与环境工程系博士后López Jiménez表示，对原型聚合物结构更好的理解有助于开发智能窗户材料更便宜的替代材料，智能窗户是能够调整入射光的表面。
“能自动对光做出反应的建筑物和窗户，让你能够不必在取暖和空调方面花很多钱。然而问题是，为整个建筑物安装这种材料太贵了。我们想寻找一种更简单和便宜的方法控制透光量，通过延展一种非常简单的材料，一种现有的透明聚合物。”
López Jiménez补充说，多层聚合物结构能够用来覆盖窗户表面。设计师能够利用这个理论来测量力的大小，并用于调整聚合物层的入射光量。研究小组包括López Jiménez；阿布扎比马斯达尔科技研究院Shanmugam Kumar；土木与环境工程和机械工程副教授Pedro Reis。
当前的工作受到López Jiménez、Reis和Kumar相似研究的影响。在这个项目中，该团队研究了PDMS基本块的光传输特性，PDMS是一种多用途的类橡胶透明聚合物。在这种聚合物块中发现了某些黑暗的区域，研究人员想弄清楚透过材料的光是否可以通过聚合物块的形变进行调整。
“这是一个幸运的意外。我们只是在研究材料，很快就开始对如何预测得到正确数据而感兴趣。”
研究团队想要开发一种柔软的有色复合物，在暴露于如力学化学或者电子力等外部刺激时，能够变得透明或改变颜色。开发了一种矩形透明PDMS堆栈薄片，与含有黑色微小染料颗粒的溶液混合。处于未拉伸状态时，材料看起来模糊，但当它被拉伸并像气球一样膨胀时，能够进入更多的光。
在第一个实验中，光通过已注入染料颗粒的聚合物结构，在没有任何变形的条件下，透过材料的光量被测定。然后，这种聚合物在与光线垂直的方向延伸，聚合物厚度和穿过材料的光量被测定。测量结果与该研究小组基于比尔-朗伯定律预测结果相比较，比尔-朗伯定律是一个描述光通过一种具有特定性质材料方式的光学理论。该理论结合了实验分析，得出一个基本方程来预测穿过发生机械变形PDMS结构的光量。
为了进一步验证该方程，我们完成了一些其他实验，当光从下面照射时，圆盘状PDMS结构被固定住并像气球一样膨胀。研究者们确定了穿过该结构的光量，并观察到当拉伸材料时有更多的光通过。他们还发现，光的强度与方程预测的结果一样。
“当施加应变时，我们可以预测和表征光的变化。如果给我提供原始材料特性以及入射光的强度，我们能够确切地知道在这种形变下有多少光通过。”
López Jiménez补充说，该方程未来可被用于调整具有更复杂纹理和表面材料的光透过率和透明度，。
“柔软的彩色复合材料非常令人兴奋，能够为材料提供可转换和调整的光学特性。应用这种相对简单但可预测的机制是一项激动人心的挑战，值得运用到具体工程应用中，比如通过智能窗户控制室内光线。”土木与环境工程副教授Pedro Reis表示。
加州大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程助理教授Shengqiang Cai表示，除了智能窗户技术，彩色聚合物甚至可被用在其他材料的应变测试。
“我想象一层如此软的复合材料能够被用作非线性应变仪。通过将一层软复合材料附加在工程结构上，我们也许能够将它的表面形变形象化，这显然对于检测结构安全是重要的信息。该想法非常简单。然而，系统的功能非常强大，就像这些作者们所展示的。”
麻省理工学院和马斯达尔间的合作支持这项研究。
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