新闻网讯 近日，我校船海与能源动力工程学院青年教师吕松团队在高强度热致变色太阳光谱调控方向研究中取得新进展，相关成果以“Thermochromic Hydrogels for Synergistic Mechano-Optical Properties for Global Energy-Saving Potential”为题，发表在Nature子刊《自然通讯》(Nature Communications) 上。我校为论文唯一署名单位，船海与能源动力工程学院硕士研究生杨博文为论文第一作者，吕松研究员为通讯作者。

随着全球能源消耗和碳排放的持续增长，提高能效及可再生能源利用已成为实现碳中和目标的关键途径。作为能量交换的主要通道，窗子是能量损失和多余热量获取的主要来源，尤其在冷热负荷不断攀升的背景下，自适应太阳光谱调制的研究与应用显得尤为重要。太阳光谱调制主要包括光致变色、电致变色和热致变色三类，其中前两者存在工艺复杂、能耗高、成本大的不足；相比之下，热致变色可随环境温度变化自动调节透光状态，无需外部能量输入，具有自适应、零能耗、制备简便、成本低等突出优势，被认为是实现可再生能源利用与节能减排的理想方案。在众多热致变色材料中，水凝胶因其相变温度接近室温、制备简易、柔韧性优良、环境友好且成本低廉等优势而备受关注。其在低温下具备高透光性，可实现自然采光；在高温下能有效阻隔太阳辐射，实现动态节能。然而，传统水凝胶普遍存在附着力不足、拉伸强度低及弹性模量偏小等问题，易导致长期使用中的结构不稳定和界面失效。尽管通过增加交联密度、引入增强组分或调控含水量可改善力学性能，但往往会牺牲透光率或光调制能力，导致性能间的耦合制约。如何在光学性能、热调控性能与力学性能之间实现协同优化，成为高性能热致变色太阳光谱调制研究的核心科学难题。

针对这一问题，吕松团队设计并合成了一种基于复合交联网络结构的热响应型水凝胶（PDH hydrogel），通过自由基聚合由 N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和 2-羟基乙基丙烯酸酯（HEA）制备而成。该水凝胶在光学与力学性能上均实现显著突破，表现出高可见光透过率（Tlum = 97.92%）、强太阳能调制能力（ΔTsol = 81.70%）以及优异的力学强度（粘附强度 54.63 kPa、拉伸强度 34.31 kPa、弹性模量约 129.35 kPa），成功实现多重性能的协同提升。

实际测试结果表明，与商业 Low-E 玻璃和普通玻璃相比，PDH 自适应窗可使白天室内平均温度降低 6.95 °C，每日节能量达 384.04 kJ m⁻²，显示出突出的节能效果与应用潜力。进一步地，吕松团队结合全球气候数据，建立了基于 PDH 水凝胶的全球节能与碳减排（ESCR）性能预测模型，为其在不同地区的应用提供了科学依据。该自适应光谱调控技术可用于船舶、汽车、建筑、工业制造等领域，研究成果不仅为太阳光谱调制和机械强度协同优化设计提供了新思路，也为其全球化应用奠定了重要基础。

图1 PDH自适应窗在实际环境中的应用

文章信息： https://www.nature.com/articles/s41467-025-65071-w

文：船海能动学院；图：吕松

编辑：谢昕恬；审核：张尊华