基於爱护地球之心与节省电费,科学家近年来如火如荼研究各式节能技术,像是近期中国科学家就成功研发出一款智慧窗户,除了可控制光与热,还可以去除在玻璃上残留的大肠杆菌等细菌,可望让飞机、交通工具、医院等地的环境更加舒适与安心。
  
  铺满大面积玻璃的摩天大楼虽然美观,采光效果也非常好,但是由於玻璃不具有隔热与调节温度等功用,无论是夏天炎热的空气还是冬季寒流都会从窗户流进室内,让冷气与暖气费用节节高升,一点也不环保。
  
  不过要打造出一片具有特殊性能、甚至是多功能玻璃也不是件容易的事情,如果只是想要窗户具有变色功能,可透过金属氧化物 WO3(三氧化钨),该材料通电後会产生可逆的颜色变化,利用「电致变色(Electrochromism)」现象来改变窗户的光学透射率。
  
  但科学家或是消费者可能会认为窗户只有变色功能还不够。如果想要增添光热反应,玻璃还要再添加金属奈米粒子,让窗户把近红外光转换成热量;假如想要有抗菌功能,则需要铜等金属来帮忙,才能达到杀菌、抗微生物等效果。
  
  只是要如何将这些材料妥善整合,打造三合一或是多功能窗户仍是个大难题。
  
  根据中国渖阳东北大学与南京大学发表在《ACS Nano》的研究,团队研发出以 3D 三氧化钨为主的电致变色与光热效应(electrochromic-photothermal)薄膜,且由於薄膜为蜂巢结构,还可在其中嵌入金奈米粒子与奈米棒,让窗户不仅具有变色功用,还可以透过奈米粒子将光转换成热,进一步调整光热效应与温度,让建筑物冬季不再寒冷。
  
  南京大学化学工学院教授夏兴华表示,研究员透过太阳光来最佳化电致变色薄膜,进而实现优异光热转换,且在光传输(optical transmission)途中,团队还可以进一步调节光热转换效率。
  
  科学家也研究证明,该智慧窗户除了能在几分钟内从透明变成黑色,团队还可利用近红外雷射光让窗户在 5 分钟内提高 24°C。
  
  为了研究窗户的杀菌性能,研究员也利用大肠杆菌与近红外雷射光进行研究,并发现杀菌效果在窗户完全变黑时最强,几乎可杀掉所有细菌。而如果要达成杀菌效果,三氧化钨与金奈米粒子也缺一不可,假设窗户仅由三氧化钨或是奈米粒子结构制成,杀菌效果相当微弱,因此该窗户的光热特性可说是实现杀菌效果的最大功臣。
  
  夏兴华指出,该窗户具有多功能特性,像是可动态(dynamically)控制窗户透明度、利用近红外光调节热转换,还可以减少细菌滋生,在飞机、高纬度地区和医院的应用前景可期。
  
  由於智慧窗户用途相当广泛,近年来研究报告与各式玻璃原型如雨後春笋般冒出,好比太阳能透明窗户、能瞬间从透明变成雾面或是可当成触控萤幕的窗户等,随着科技日新月异,未来窗户还会有更多不同面貌,带动另一股玻璃研究风潮与商机。