同位素驱动型D2O水凝胶智能窗：面向自适应热调控的突破性设计

针对传统H2O水凝胶智能窗近红外(NIR)能量吸收过高的瓶颈问题，复旦大学团队创新性提出同位素D2O水凝胶体系，实现全光谱太阳光调制率(△TSol=91.97%)和NIR反射调制率(△RNIR)提升31%，结合银纳米线(Ag NWs)实现长波红外发射率调控(△εLWIR=31.89%)，为建筑节能提供全新解决方案。

　　

随着全球建筑能耗占比达40%，窗户作为建筑围护结构的薄弱环节，其能量损失高达60%。传统热致变色智能窗虽能动态调节光热，但水凝胶中H₂O分子对近红外(NIR, 780-2500 nm)的强吸收严重制约性能提升——这一频段恰恰占据太阳辐射总量的43%。如何突破水分子本征吸收限制，成为发展下一代智能窗的关键科学难题。

复旦大学材料科学系的研究团队独辟蹊径，从量子力学基础理论出发，利用重水(D₂O)同位素替代普通水(H₂O)，通过振动能级差异实现NIR吸收峰红移。理论计算表明，O-D键的基频振动波数(2470 cm^-1)显著低于O-H键(3400 cm^-1)，使D₂O体系在NIR波段吸收降低16%。研究人员将聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)与聚乙烯醇(PVA)溶于D₂O，通过紫外固化制备出具有温度响应性的智能窗原型，其相变温度(LCST)保持在32℃。

关键技术包括：(1)分子动力学模拟揭示D₂O体系氢键网络稳定性；(2)COMSOL多物理场仿真优化光散射结构；(3)旋涂法制备Ag NWs复合层调控长波红外；(4)加速老化实验验证300次循环稳定性；(5)EnergyPlus软件模拟全球10个气候区节能效果。

研究结果：
光谱特性差异
D₂O水凝胶在1926 nm处的NIR透过率(92.14%)较H₂O体系(81.59%)提升显著，实验数据与密度泛函理论(DFT)计算结果高度吻合。封装后的智能窗可见光透过率(Γ_Vis)接近100%，太阳能调制范围△T_Sol达91.97%。

2O与D₂O分子在近红外光谱下的差异表现'>

智能窗制备机制
扫描电镜显示DPN/PVA水凝胶在43℃时形成0-2μm的多级孔洞，与太阳光波长匹配度达90.28%。分子动力学证实D₂O体系溶剂-溶剂氢键占比更高(表S7)，相变后产生更规整的散射单元。

热管理性能
上海户外实测显示，3.4mm厚DPN/PVA窗夏季降温8.0℃，冬季升温5.6℃。Ag NWs复合版本(3000 rpm旋涂)实现△ε_LWIR=31.89%的发射率调控，优于商用Low-E玻璃1.3℃。

节能效益
全球10城市模拟表明，该技术年节能达90.27×10⁴ kWh，CO₂减排超10%。PE薄膜封装解决水凝胶失水问题，200次循环后性能保持率>90%。

这项发表于《Nature Communications》的研究开创性地将同位素化学引入智能窗领域，其意义在于：(1)理论层面验证振动频率方程(ν=1/2πc√(k/μ))在材料设计中的指导价值；(2)工程层面实现△T_Sol与△ε_LWIR的协同优化；(3)产业层面为D₂O规模化应用提供示范。尽管同位素分离成本仍是商业化瓶颈，但该工作为发展"零能耗"建筑提供了全新范式。