互动科普

正因为玻璃窗是透明的，所以才能吸收从外面射入的光。但在有些情况下，玻璃窗的存在也会令人不适。例如强烈的阳光通过窗户直射进室内时，室内温度渐渐升高，这时通常就要用窗帘来遮光。

用窗帘遮光，人虽然不会直接感到强烈的日照，但是从“房间整体的热量收支”这个角度看，遮阳的效果有限。之所以这样说，是因为窗帘位于房间的内部，通过透明玻璃窗照在窗帘上的光会立即转化为热量，使室内温度升高。

重要的是不让光进入室内

为了防止这种情况，让位于室内外交界处的窗玻璃起到窗帘的隔离作用，阻止光进入房间内即可。例如,通过玻璃窗遮挡（吸收）的光，如果其中80%变成了热量，这些热量会有2/3辐射回室外。结果就是，进入室内的热量（未被吸收、未被反射而通过玻璃进入室内的10％的光，与辐射到室内的热量的总和）大约可以控制在40%。这样就减少了制冷的能耗，从而达到节能的目的。

问题是，如果只是遮挡光线，就不能充分发挥玻璃窗本来的全部作用。在寒冬，我们希望尽可能使阳光通过透明的玻璃窗进入室内。或者在一天之中，我们可能会想在白天和夜晚转变窗户的透明或不透明状态。为了实现这种转换， “调光玻璃”或“智能窗户”应运而生。

“调光”方式各种各样，正逐步走向实用化

人们研究了多种调光的方法，其中一部分已经完全走向了实用化。虽然是“调光玻璃”，但要随意改变其透明度也不是一件简单的事。为了实现这个功能，主流的方法是把能够实现该功能的物质像薄膜一样贴在玻璃表面，或者在两层玻璃之间填满该种物质。

最先进的研究是通过电流来切换透明与不透明状态的“电致变色”方式。前面介绍的波音787客机的舷窗采用的就是电致变色方式中的一种——“溶液型”。

“电致变色”的另一种方法就是在氧化钨等薄膜上注入或排出氢离子或锂离子，从而实现透明度的切换，即所谓的“薄膜型”。该技术被美国企业实际应用于一部分建筑物中。还有一种是利用液晶的“液晶型”，这种液晶在施加电压时，分子按照固定方向排列，使光沿特定的方向通过，这也是电致变色的一种。除此之外，还有利用热量来改变透明度的“热致变色”、用光来进行切换的“光致变色”和使三氧化钨薄膜与氧化还原性气体相互作用来进行透明度切换的“气致变色”。

图1. 主要的调光方式及其实例

在镜子和透明玻璃之间切换，进一步提升节能效果

然而，调光窗户是以节能为目标的。使用遮挡（吸收）光的方法，无论如何，在调光窗户处光会转换为热，其中一部分热量被释放到室内。如果能防止这种情况，节能效果会更好。于是，人们希望能更进一步，从“调光玻璃”发展到“调光镜”。如果玻璃窗能够变为镜子对光进行反射，光就可以直接反射回室外，从而进一步减少进入室内的能量。

图2. 可以切换成“镜子”（左）或“透明玻璃”（右）的调光镜

上图照片为吉村博士小组开发的“调光镜”。左图为镜子的状态，映出了毛绒玩具正面的样子。几乎看不到调光镜后面的手。右图是透明玻璃的状态，完全能看到镜子后面的手。

日本产业技术综合研究所吉村和记博士的小组正在进行调光镜的研发。现阶段的研究结果如上面照片所示。在玻璃表面涂上镁和别的金属（比如钇）混合而成的厚度约40纳米（1纳米等于10亿分之1米）的薄膜，再在其上涂上钯的薄膜作为触媒（催化剂）。这些薄膜通常是金属状态，可以作为镜子来反射光。若有氢气存在，材料与氢结合，性质发生变化，使薄膜变成透明的状态。也就是说，利用氢气来切换状态，属于“气致变色”的一种。

氢气是通过电解空气中的水分（湿气）产生的。在薄膜上覆盖透明片，将产生的氢气送入透明片和薄膜之间。一旦停止送入氢气，薄膜中的氢气就会和空气中的氧气发生反应，成为水蒸气而分离出来，于是薄膜又回到金属（镜子）的状态。维持1平方米的调光镜的透明状态，需要的电压为3伏。

期待调光镜能用到汽车的车窗上，这样就可以避免露天停车时车内温度变得很高。吉村博士开发的调光镜，在不供给氢气（不加电压）的状态下就是一面镜子。如果在使用中发生某些故障，调光镜就会有变回镜子状态的风险，吉村博士团队仍在探讨解决这个问题的方法。

（本文发表于《科学世界》2015年第12期）