研究人员创造了一种原型智能玻璃，当与反射结构类似的光学液体被泵入结构前面的腔室时，玻璃就由逆向反射（左）变得透明（右）。援引：Keith Goossen，特拉华大学

研究人员展示原型窗户，只需简单的添加液体即可实现从反射到透明。新的可转换式窗户易于制造，今后可以使停放的汽车在阳光下保持凉爽，或使办公楼更加节能。该技术还可以用来制造屋顶楼板，从而实现冬暖夏凉。

施加电压使之从透明的状态转换到不透明的状态，这种玻璃尽管在商业上已经可行，但高昂的成本（每平方英尺约100美元）妨碍了其被广泛使用。

“我们预计我们的智能玻璃成本将会是现有智能玻璃成本的十分之一，因为我们的版本可以用与制造许多塑料部件相同的方法制造，并且不需要复杂的电光技术来转换，”特拉华大学Daniel Wolf的研究小组负责人Keith Goossen如是说。

新的智能窗户包含带有逆向反射结构图案的塑料面板。这意味着它不像镜子那样反射所有方向的光线，而是像自行车反射器一样使光线原路返回。

研究人员展示了一种新型智能玻璃原型，该原型由3D打印的塑料面板组成，并由一个薄腔体覆盖，该成果发表在光学学会（OSA）期刊《Optics Express》上。当腔室充满流体状的水杨酸甲酯（匹配塑料的光学性质）时，逆向反射结构就变得透明。

“尽管我们不得不开发新的方法来处理具有良好光学性能的3D可打印塑料，开发廉价的折射率匹配液体并推出高度反射的光学结构，但是这里的创新主要在于认识到这样一个简单的概念可行，” Goossen说。

保持汽车凉爽

新型可转换玻璃的最有前途的应用之一可能在汽车中，当汽车停在炎热的太阳下时，它可以用来将挡风玻璃改变成反射状态。

“由于在黑暗状态下，挡风玻璃仍然吸收阳光并变热，所以不能使用当今市售的可转换玻璃，” Goossen说。“因为我们的玻璃在非透明状态下是逆向反射的，所以几乎所有的光都被反射，防止玻璃甚至汽车变热。”

这种玻璃是逆向反射的，这意味着如果在摩天大楼的外面使用这种玻璃，它就会把光照射回太阳而不是反射至街道上。这减少了建筑物对城市变暖的影响，在许多城市地区都存在这种问题。

研究人员还表示，塑料逆向反射板可以作为一个廉价的可转换的屋顶结构，降低取暖和制冷成本。在全年都温暖而阳光明媚的地方，白色屋顶材料通过反射阳光可以降低制冷成本。然而，在冬季寒冷的地区，这些白色的屋顶在冬天必然需要用于取暖。

“在特拉华，你希望在夏天有一个白色的屋顶，以保持房屋的凉爽，在冬天希望有一个黑色的屋顶，以吸收阳光并帮助降低取暖成本，”Goossen说。“对于智能屋顶而言，我们的新技术提供了一种更有效的制冷屋顶，因为它是逆向反射的，同时也允许屋顶在冬天转换成黑色。”

对于屋面应用而言，当面板处于透明状态时，放置在面板下面的一层材料用于吸收光线。这有助于在室外温度较低时保持室内温暖。虽然原型中使用的水杨酸甲酯会在非常寒冷的气温（低于16华氏度）下冻结，但可以开发抗冻液体以解决该问题。

3D打印原型

为了制造新的可转换玻璃, 研究人员开始使用3D 打印有各种尺寸反复反光结构的塑料面板进行测试。他们使用市场上可买到的透明3D打印材料，并开发了后处理步骤，以确保塑料在打印后保持高度透明，并显示非常精确的拐角，这对实现逆向反射非常重要。

“如果没有3D打印技术，我们就不得不使用模制技术，这需要为每个不同的结构建立不同的模具，” Goossen说。“借助3D打印，我们可以轻松制作任何我们想要的结构，然后通过实验来了解它的性能。对于商业化生产而言，我们可以使用标准的注塑制造逆反射面板，如此可保证成本低廉。”

一旦研究人员找出了用于重复结构的最佳尺寸, 他们就进行光学测试, 以确定表面粗糙度或材料的光吸收等特性是否会引起意想不到的光学问题。这些光学测试表明, 该结构完全依照光学仿真工作。

“重要的是，我们还证明了该设备可以进行数千个从透明到反射的周期，而不会有任何退化，”Goossen说。然而他们发现，确实会有些流体留在结构上，而不是流失。为了解决这个问题，研究人员正在开发涂层，这将帮助流体排出塑料而不留下任何残留物。

“为了进一步证明该技术作为可转换玻璃的实用性，我们正在建造一个办公室门，内嵌新型智能玻璃作为可转换隐私面板，”Goossen表示。“目前，该类型的面板是用更昂贵的技术制造的。我们希望我们的方法可以推广它的使用，也希望扩大智能玻璃的其他应用。”

来源： https://phys.org/news/2017-12-smart-windows-liquid.html

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