慧正資訊，萊斯大學(xué)研究人員及其合作者開發(fā)出一種新型玻璃涂層，有助于降低能源費(fèi)用，尤其是在寒冷季節(jié)，它能防止漏風(fēng)窗戶散失熱量。這種材料是一種透明薄膜，通過將碳編織進(jìn)氮化硼的原子晶格中制成，可形成一層薄而堅韌的涂層，能反射熱量、抗刮擦，還能抵御濕氣、紫外線和溫度變化。

阻止窗戶熱量流失

研究人員模擬了這種材料在紐約、北京和卡爾加里等冬季寒冷城市的實(shí)際大小建筑中的表現(xiàn)，結(jié)果顯示，與現(xiàn)有替代品相比，該材料可提高2.9%的節(jié)能效果。僅在美國，每年就安裝超過40億平方英尺的新窗戶，因此節(jié)能效果十分可觀。

根據(jù)發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上的一項研究，這種涂層的耐用性使其能夠涂覆在玻璃的外側(cè)，這是相較于傳統(tǒng)低輻射（低輻射率，簡稱低E）涂層的一大優(yōu)勢。輻射率描述的是材料以熱能形式輻射熱量的能力；輻射率越低，通過玻璃散失的熱量就越少。傳統(tǒng)低E涂層容易受到濕度和溫度波動等環(huán)境因素的影響而降解，因此需要涂覆在窗戶的內(nèi)側(cè)。

“雖然純氮化硼的輻射率與玻璃幾乎相似，但當(dāng)你在其中加入少量碳時，輻射率會顯著降低——這完全改變了局面，”萊斯大學(xué)本杰明·M.和瑪麗·格林伍德·安德森工程學(xué)教授、材料科學(xué)與納米工程學(xué)教授Pulickel Ajayan說道。

為了制造這種涂層，研究團(tuán)隊采用了脈沖激光沉積技術(shù)，即利用短而高能的激光脈沖轟擊固體氮化硼靶材，激發(fā)出等離子體羽流，羽流分散成蒸汽后沉積在基底上——在本例中，基底為玻璃。由于該過程在室溫下進(jìn)行，因此避免了制造粘性涂層通常所需的高溫。

“從合成角度來看，在玻璃上涂覆氮化硼確實(shí)令人驚嘆且非常令人興奮，”該研究的主要作者、薄膜合成專家Abhijit Biswas說道。

拓寬氮化硼涂層的應(yīng)用領(lǐng)域

Ajayan指出，除了玻璃之外，同樣的低溫氮化硼沉積技術(shù)還可應(yīng)用于其他材料，包括聚合物、紡織品，甚至可能還有生物表面。此外，其他可擴(kuò)展的技術(shù)，如卷對卷化學(xué)氣相沉積或?yàn)R射，通過適當(dāng)?shù)墓に噧?yōu)化，最終有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

“這極大地拓寬了氮化硼涂層的應(yīng)用領(lǐng)域，”作為該研究的通訊作者，Ajayan說道。萊斯大學(xué)他的研究團(tuán)隊多年來一直在研究氮化硼薄膜的生長，對該材料卓越的機(jī)械、熱和光學(xué)性能頗感興趣。

從原材料角度來看，氮化硼比大多數(shù)商用低輻射玻璃中使用的銀或氧化銦錫成本更低。不過，研究人員提醒，不應(yīng)直接進(jìn)行成本比較，因?yàn)檫@些材料在耐用性、加工方法和技術(shù)成熟度上存在差異。即便如此，研究團(tuán)隊仍看好這種涂層的長期性能，尤其是在現(xiàn)有材料表現(xiàn)不佳的惡劣環(huán)境中。

為了評估這種涂層的光學(xué)透明度以及在建筑物中的節(jié)能潛力，萊斯大學(xué)的團(tuán)隊與香港中文大學(xué)的龍毅Yi Long展開合作，龍毅是該研究的共同通訊作者，其團(tuán)隊專注于智能窗技術(shù)用功能材料的研究。Yi Long強(qiáng)調(diào)，這種涂層在戶外環(huán)境中的耐用性是其與現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)鍵區(qū)別。

“高耐候性使其成為首款可用于外側(cè)的低輻射窗戶涂層，其節(jié)能能力明顯優(yōu)于內(nèi)側(cè)的同類產(chǎn)品。在建筑密集的環(huán)境中，它可能是一個絕佳的解決方案，” Yi Long補(bǔ)充道。

合作者與貢獻(xiàn)者

Shancheng Wang也對這項研究做出了重要貢獻(xiàn)，尤其在節(jié)能方面。“這種碳摻雜涂層玻璃的透明度和良好的低輻射特性，使其成為北京、紐約等城市極具競爭力的節(jié)能選擇，” Shancheng Wang說。

除萊斯大學(xué)和香港中文大學(xué)外，該研究團(tuán)隊還包括來自亞利桑那州立大學(xué)、康奈爾大學(xué)和多倫多大學(xué)的合作者。

這項研究得到了美國空軍科學(xué)研究辦公室（S004434-AFOSR）、美國空軍科學(xué)研究辦公室與克拉克森航空航天公司（FA9550-24-1-0004）、萊斯大學(xué)空間研究所、美國海芯堪旃遙∟00014-22-1-2357）、美國國家科學(xué)基金會（1650114、1626418、DMR150006）、美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國國防部高性能計算現(xiàn)代化計劃、美國能源部（DESC0021230）、加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會、加拿大創(chuàng)新基金會、香港特別行政區(qū)政府、香港中文大學(xué)、2024年深港澳科技計劃（SGDX20230821094659005）以及創(chuàng)新科技基金（ITS/221/23）的支持。