新闻动态

建筑，消耗了全球约40%的能源，而其中绝大部分，用于维持室内空间的冬暖夏凉。建筑最大面积的“外套”——墙体，却是最迟钝的部分，一旦建成，它的光热属性便被“封印”，任凭日光炙烤、寒夜浸透，它们从不“换季”。现在，一堵“会思考”的墙终于出现了。

近日，北航自旋芯片与技术全国重点实验室丁一琳副研究员携手北航巴西中心刁训刚教授面向建筑节能应用，设计开发了一种多光谱协同调控电致变色调制器（Multispectral Synergistic Electrochromic Regulator, MSECR）。MSECR采用ITO/WO₃/LiNbO₃/NiO/ITO五层全固态薄膜堆叠结构，通过Li⁺在晶态WO₃层中的可逆嵌入/脱出，触发绝缘体-金属转变，使WO₃的红外光学常数发生剧变，结合MSECR的非对称法布里-珀罗谐振腔（F-P腔）结构，从而在太阳光谱与中远红外波段实现同步、正向协同调控。并且该器件可通过背底着色实现多色外观，在不影响红外调控性能的前提下满足建筑美学需求。相关成果以Multispectral Synergistic Electrochromic Regulator with Triple Atmospheric Windows Selectivity for Global Building Energy Saving为题在线发表于材料科学顶级期刊。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74225

北航国新院梅哲跃博士后为论文第一作者，北航国新院丁一琳副研究员与北航巴西中心刁训刚教授为论文通讯作者，北航国新院为论文第一完成单位。

该工作得到杭州市北航国际创新研究院博士后科研专项经费资助，以及世界一流大学合作计划（A类）的支持。

破解静态围护结构的“过冷”与“过热”困境

近年来，日间辐射冷却材料发展迅速——它们通过高反射太阳光、同时将热量以红外线形式“发射”向外太空，实现被动降温。但这类材料大多是“单任务”选手：在冬季，它们仍会持续散热，反而加剧供暖负担，形成“越冷越散”的尴尬局面。

理想的热管理表面应当“冬夏有别”：制冷模式下，反射太阳辐射，同时通过大气窗口向外太空高效辐射散热；加热模式下，吸收太阳辐射，同时抑制自身红外热损失。然而，现有动态调控材料要么只调节太阳光，要么仅作用于第一（3-5 μm）或第二（8-13 μm）大气窗口，极少能将调控范围延伸至第三大气窗口（16-25 μm）——而这个波段在干旱与半干旱气候区，恰恰是散热的重要通道。兼具制冷与制热双模切换、且能自适应气候变化的动态热调控表面，成为建筑热管理领域的关键科学需求。

图1 MSECR器件结构与应用场景示意

研究亮点

一、首次将动态红外调控拓展至第三大气窗口（16-25 μm），量化其19.6%冷却贡献

现有动态红外调控研究多聚焦于第一或第二大气窗口，极少将调控范围拓展至第三大气窗口。研究团队通过理论热平衡分析，系统比较了四种冷却模式——仅第一窗口、第一+第二窗口、第一+第二+第三窗口、以及无选择性的宽谱高发射。结果表明，覆盖三个窗口的制冷模式在冷却效率与极限冷却温度之间取得最佳平衡；在非辐射热交换系数h>0的实际环境下，该模式综合优势更为显著。定量计算表明，第三大气窗口的冷却贡献占比达19.6%，在干旱半干旱地区的辐射散热中扮演不可或缺的角色。

图2 MSECR的概念和光谱设计

二、揭示WO₃绝缘体-金属转变的微观机制，实现发射率阶梯式可调

研究团队通过表征手段发现，原始晶态WO₃呈单斜相，Li⁺嵌入后晶体对称性由单斜→四方→立方逐步升高，电阻急剧下降六个数量级，确证绝缘体-金属转变的发生。能带分析表明，电子注入使费米能级移至导带内，自由载流子浓度激增，产生Drude型红外光学响应，使材料从透射主导转为反射主导。基于该机制，MSECR在三个大气窗口内实现阶梯式可调发射率，峰值调制幅度分别为0.27（4.5 μm）、0.43（9.4 μm）与0.36（18.5 μm），非大气窗口则保持低发射率。

图3 晶态WO₃薄膜的红外调控物理机制

三、非对称F-P腔纳米光子设计，实现多光谱正向协同调控

MSECR的核心设计思路在于：将WO₃的可逆绝缘体-金属过渡特性与非对称F-P腔结构有机结合。当中间介质叠层（WO₃/LiNbO₃/NiO）总光学厚度满足目标红外波长的四分之一（或奇数倍）时，该波长处产生谐振吸收；WO₃金属化后，其增强的红外反射率从光学上屏蔽下层结构，使整个器件转为高反射态。研究团队基于各功能层在不同偏压下的实测红外光学常数，进行系统性厚度匹配优化，确定最优厚度组合为ITO（100 nm）/WO₃（700 nm）/LiNbO₃（60 nm）/NiO（1000 nm）/ITO（150 nm）。实测红外反射光谱与理论模拟高度吻合，等效光学导纳轨迹分析进一步确认WO₃层为红外调制的主要来源。

图4 MSECR红外选择性调制机理及多层膜的纳米光子设计

四、全光谱综合调控性能与户外实测验证

太阳光谱调控：透明态器件在可见光、近红外及全太阳光谱范围平均透射率分别为58%、72%和63%；施加3V偏压后分别降至5%、2%和3%，太阳光谱平均调制幅度达60%。550nm处动态响应测试显示着色/褪色时间均约30s，满足建筑围护结构工况需求。7000次恒压循环后仍保持初始调制幅度的66%。色彩定制：利用器件褪色态可见光透明特性，研究团队制备了白色、蓝色及金属色（背衬Al层）等多种外观版本，均保持显著调制能力，实现了性能与美学兼得。

图5 MSECR的多光谱协同调制性能

五、全球建筑能耗模拟：多气候区普适性节能潜力

基于EnergyPlus平台对全球11个典型城市（覆盖热带、温带、寒带及极地气候）年度HVAC能耗进行模拟。结果显示，MSECR在寒冷地区节能效果最为显著（最高年均节能量22.2 MJ/m²），在热带地区同样表现优异。该动态切换策略有效平衡全年供暖与制冷负荷，在不同气候区均展现出显著且广泛的节能潜力。

户外实测：在中国敦煌典型干旱沙漠气候条件下进行24小时连续测试。白色MSECR在冷却与加热模式间全天峰值温差约3.9℃；带金属Al背反射层版本峰值温差达到约5.5℃；蓝色版本保持约3℃显著温差。与静态商业涂料对比，夜间加热模式下MSECR保温性能优于商业涂料约2.8℃；日间冷却模式下降温效果与商业白色涂料相当，明显优于商业蓝色涂料。

图6 户外温度实测验证与全球建筑能耗模拟

结论与展望

本研究在单一全固态器件中首次实现太阳光谱与三个大气窗口的同步正向协同调控，将红外调控波段拓展至此前鲜有涉及的第三窗口，并通过理论分析为动态红外调控器件的波段选择提供了明确设计准则。该工作为智能建筑围护结构提供了一个多功能集成平台。研究团队指出，当前器件在中远红外波段的发射率调制幅度仍有提升空间，后续将聚焦于WO₃层元素掺杂改性、多层F-P腔或超表面结构引入等方向，以进一步增强多光谱调控能力。此外，该全固态薄膜系统的轻质、柔性潜力也为拓展至可穿戴个人热管理、汽车智能调光天幕及航天器智能热控等应用场景提供了可能。

关于自旋芯片与技术全国重点实验室

自旋芯片与技术全国重点实验室/微纳科学与分析测试协同创新中心致力于服务国家重大战略和服务区域经济发展，培养集成电路等方向紧缺人才，突破后摩尔时代集成电路关键技术，着力打造以自旋芯片为特色的国产全流程8英寸微纳加工及分析测试公共平台，主要开展后摩尔时代集成电路材料与物理、存储与存算器件、芯片集成工艺与设计、特色芯片表征与设备、微纳科学与分析测试等方向的研究。近年来承担了国家自然科学基金重大项目、核高基重大专项、国家自然科学基金委重大科研仪器及国家重点研发计划在内的重大项目200余项，获北京市自然科学一等奖、中国电子学会自然科学一等奖、中国仪器仪表学会技术发明一等奖等。

关于北航巴西中心

北航巴西中心是北京航空航天大学与巴西顶尖高校合作建设的高水平国际科教合作和人才联合培养平台，2025年5月正式落户北航杭州国际校园。作为中巴教育科技合作的重要载体，中心以里约热内卢联邦大学和圣保罗大学为两个重要合作支点，未来将拓展与更多巴西知名院校的广泛合作。重点开展的合作方向和领域有：绿色航空、数学物理、人工智能、医工交叉、机械控制、材料工程、工商管理等，通过引进巴西优秀学者、共建实验室、研究生交换等方式深化科研合作。依托浙江省产业和创新优势，中心构建“人才-科研-文化”三位一体交流合作模式，与北航孔子学院、巴西创新研究院形成协同发展网络。中心致力于促进中巴高校间的学术交流与技术创新，为应对全球性挑战提供解决方案，培育新质生产力，全方位服务中巴命运共同体。

（审核：董卓宁 陶来发 林晓阳）