第488期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《调控阳光的玻璃》
讲座题目：透视新科技——调控阳光的玻璃
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：张 航，中国科学院工程热物理所研究员。
郭 亮，中国科学院力学研究所工程师。
讲座时间：2023年9月4日～9月10日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——调控阳光的玻璃
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。玻璃窗户在我们生活当中，非常常见，它不仅仅可以让我们看到窗外美丽的风景，同时还有一定的隔热保暖的效果。但是，比起我们正常的墙体建筑材料来讲，它的保暖效果要差一些。那随着科技的发展，有没有一种新型的材料，生产的高效节能玻璃，可以达到这样的效果呢？首先，让我们通过短片去进入我们今天的节目。玻璃出现在人类社会已经有几千年的历史，但是在相当长的时间里，它是一种奢侈品。直到二十世纪初，因为制作工艺得到突破，玻璃才开始逐渐走入寻常人家。玻璃最显著的特质是具有强透光性，人类在屋子里既可以享受阳光，也能看到外面的风景。但是，玻璃的这个特性也存在弊端，每到夏天，太阳光透过玻璃射到室内，使房间的温度升高，而到了冬天，热量透过玻璃大量流失，屋里的温度又会下降。如今，科学家们研发出一种新材料，把它涂到玻璃上之后，玻璃就拥有了调控阳光的能力。这种新型材料是什么？它是如何让玻璃具有了节能的作用？
首先，我们给大家介绍一下今天我们请来的两位科学家，中国科学院工程热物理所的研究员张航，中国科学院力学研究所的工程师郭亮。如果问你们说玻璃是什么？大家会觉得很可笑的一个问题，但我们在这里希望得到一个，玻璃在科学上的定义是什么？玻璃，它的主要成分就是二氧化硅，也就是我们平常见到的沙子的主要成分，它是人类人工制造的最早的一种材料。但古时候，玻璃其实是一种非常昂贵的材料。它和这个金银珠宝，它们是一个级别的，我们看像《红楼梦》中的贾蓉为了炫富，然后去找王熙凤借一个玻璃炕屏，然后显示我是上流社会的。那么到了今天，随着我们的科技水平不断提升，那么现在我们制造玻璃的能力越来越强，成本越来越低，它也就飞入寻常百姓家了。那它对我们，就是普通人来看，它的主要特点，也就是一个是透明，非常直观的，它透明的，尤其是对可见光透明。那么另外一个，是它可以帮助我们挡风，然后就是保温，是起到这样一个作用，所以，现在我们的玻璃，在日常生活中都被用于建筑以及车辆等等。
沙子也是二氧化硅，水晶也是二氧化硅。这里边唯一的区别在于掺杂，你里面加入了哪些成分，进行怎么样的工艺进行制造？觉得这个玻璃在家庭当中大多是遮风挡雨，还是可以看见窗外的风景。如果说有人问我们说，你们家这个耗能大户都是什么呀？我们首先可能会审视，我们的空调、热水器、电视机这些有插头的。首先我们会看它们，如果说我们看玻璃的话，可能感觉它也没有插头，也不发热。但是，根据现在的一些研究显示，在我国单纯从这个门窗玻璃损失的这个能耗，已经占到了我们这整个社会总能耗的大概五分之一的样子，这是一个非常令人吃惊的一个数字。这是我们很少注意到的。是的。它怎么浪费的？根据热力学基本原理，我们知道热量传递，主要是有三种形式，其中包括有热对流、热传导，还有热辐射。那么，热对流比较好理解，我们只要有一个玻璃，有一扇窗户，我们把它关上，那这样就可以阻挡室内外的空气对流。那么热传导也比较好理解，把玻璃做厚一点，或者呢，甚至我在玻璃中，做成中空的两层，中间有个中空。甚至进一步，我把这个中空的区域再抽成真空，这样的话，我就可以得到一个非常好的，从热传导的角度节能的一个玻璃。
但是，对于热辐射这个角度，情况就稍微复杂一点。因为我们知道就是热辐射，它辐射的是电磁波，可是我们有玻璃，我们（装）玻璃的目的是什么呢？就是希望这个来自太阳的这个电磁波能够照到屋子里来，以及我们能看到外面的世界，也就是外面这种多彩世界，它们这些物体发出的这种电磁波，也能够进入室内。那么我们想让一部分进来，然后又想让一部分不出去，这个时候，就给我们这些科学家以及工程师带来一个非常烧脑的一个难题。这三种途径，其实跟我们穿衣服一样，张老师刚才也提了，说冬天我想为了保暖，我第一我如果穿棉服的话，我就穿厚厚的棉服，这个厚棉服相当于我就把这个玻璃加厚，加得越厚，我相当于我就让里边的空气和外面的空气隔绝得越好，那么就没有这个我们叫（热）对流。那么这时候你就可以保暖了，这是一种。第二种，我们可以用这个所谓的防止它进行这个热量的这种交换。那么我们可以穿羽绒服，羽绒服里面是有羽毛儿的，羽毛就变成中间是中空的，它就有空气，空气就使外边和里边就没有办法进行热交换，那么我这样的话就把这个热量隔绝在里面了。但其实这两个方式，都是我们基本的这种节能玻璃，那么真正好的节能玻璃就是连辐射我都已经给你控制在里面了，既让太阳光能进来，又让里边的热量这些电磁波不往外轻松地跑掉。听起来，我们觉得是这个道理，可是这个到底是怎么做的呢？它的工作原理是什么？
室内的物体被阳光加热，那么使得它温度升高，这样的话，室温通常是高于室外的。如果我们再加上我们有电暖气，那么我们的室内温度可以远远高出室外，这个时候，这些物体也会发射出，这种室温附近的中远红外辐射。那么他们就会打在玻璃上，那这个时候玻璃吸收这个热量之后，它就会升温，再把这部分能量交给我们室外的这个冰天雪地，当然也就造成大量的能量的流失。如果说我们用一种方式，能够把这部分的这个红外辐射给阻挡回来。那么这样的话，我们就可以大大地去节约我们的能源。玻璃是怎样浪费能源的呢？比如在冬季，室内热量的来源主要是太阳辐射和加热器辐射。太阳辐射通过玻璃进入室内，但是与此同时，加热器辐射也会通过玻璃跑到室外。作为室内主要热量的来源，加热器辐射大量溢出，就造成了取暖能源的浪费。玻璃要做到节能，就要让太阳辐射更多地进入，加热器热辐射更少地流出，这就需要科学家们研发出一种可以调控辐射的玻璃。
其实我们这些年经常会听到，市场上已经有出售这个节能玻璃了。对，叫做低辐射玻璃。它在这个玻璃中呢，加了一层金属层，通常是一层银膜，大概是十纳米级别的，对我们室温红外（辐射）的一个反射作用。那在这种情况下，如果说室内的温度高于室外，那么它们发射出的这种红外线，就会被这样一个薄膜给挡回来。这样的话，它就可以使热量，始终停留在室内，而不会因为玻璃向室外去扩散，可以得到一个很好的保暖效果。它的缺点是什么？虽然它已经起到了一定的节能效果，但是仍然有一些可以提升的空间，进一步提升它的性能。比如说，对于这种传统节能玻璃，它的选择比比较低，就是说我们如果节能玻璃在对中远红外（线）反射性能提升的时候，它会牺牲掉很大一部分太阳光的透射率，那这个时候相当于是我们需要再额外地付出这个照明的电费，作为一个代价来换取（节能）。咱们可以怎么理解，就是比如说冬天，我假如说告诉你我现在这是节能玻璃，我最希望的是什么？所有的热量是不是全留在屋里面，那么热量有两个来源。一个来源是我屋里面点的暖气，这个是我屋里面已经有的，还有一部分是我希望的是外面的阳光。这个地方你就要求比较高了，你既然屋里面的热量不往外跑，又要让外边的热量往里面进。这听起来很难。
这是个矛盾的关系，所以现有的节能玻璃是怎么干的，我镀一层膜，这层膜我就相当于我一定要有一个妥协，有一个牺牲。那么我镀了这种膜，就是尽量地让里面少往外跑，然后尽量地让外面多往里进，那么这时候就一定意味着两边都不讨好，那么就里边会有一部分散失出去，外面的太阳光你会发现也有部分挡在了外面。如果做得不好的话，可能屋里边就很暗。对。因为太阳光，因为你整个儿叫胡子眉毛一把抓嘛，你整个就一刀切了。还有一个点，就是在生产运输过程中，有些不方便的地方，比如说它的生产，我们现在最普遍的是一种叫做离线制备法。它的过程其实比较好理解，就是我们在玻璃做好之后，在上面蒸镀，我们需要的功能性的薄膜，就是这个银膜。我们在镀的过程中，我们需要抽真空，那么镀完之后，我们需要赶快把它运到一个封装的那个地方。如果说我们这个运的太慢的话，空气中的氧气就把银膜给它氧化了，它就不能再起到这个节能的效果了。所以这个过程是一个非常紧迫的，而且是如果掌握不好，可能出现大量的浪费的一个过程。我们研究这个高效节能玻璃，到底比所谓的过去的节能玻璃强了多少？
我们设计的是一种，对于辐射能够进行调控的一种超材料。它的作用是如果我们把它，放在我们普通的玻璃上，就可以把普通的玻璃给变成节能玻璃，甚至性能更好的这种低辐射玻璃。采用了一个两次筛选的一个策略，我们对比了一下太阳辐射的频段，以及我们室温物体，它辐射的这个频段，我们发现一个问题。就是太阳的辐射，它的无论从波长，从频率以及它照射下来的光子的能量和室温红外（线）相比，它俩相差很大，甚至能够超过一个数量级，只要有这种不同，我们就有机会对它进行区分，就可以去设计我们的这个材料去进行筛选。也就是说我们可以对我们材料，先设计一个截止频率，或者是截止能量，那么当这个太阳光的光束，它里面的光子打到我们材料上的时候，那么这个时候，我们的材料可以对它进行第一次筛选。这边的还有第二层滤网，那么当第一重滤网我们筛选完之后，如果发现这个太阳光，一部分太阳光的能量，它阴差阳错没有通过。那么这个时候，我们会考虑，我们要不要从另外一个角度，比如说通过它的波长角度再进行下筛选。那这样的话，我多了一重第二次（重）的这种筛选。
给大家解释一下，其实我们应该知道，我们叫的可见光就是太阳光，那么这可见光只是整个光谱系列里边的非常小的一段儿。那我们经常听说的还有两个光，是大家经常听到的，一个叫紫外线，它就是波长相对来说比较短一些，能量比较强一些，一般用来杀菌。那么另外一边就是红外光，它相对来说波长比较长，由于大家的这个不同的频段，它的波长不同，你就可以理解成它的光的长度不一样。那么我如果在这儿加一层滤网，我只让太阳光的这个长度的就能透过，你超过我这个长度的，我就卡住你，有点类似于我们的口罩，对不对。口罩相当于大颗粒的这种细菌和灰尘，我就不让你过来了，但是空气，你可以来吧，所以它其实这种材料就是相当于是一个滤网，只不过我们相当于在这个滤网基础上，我们还多加了一层滤网。就是一次没过来，我还给你一次机会，你再找一个滤网，你还能过来，相当于你的成功率，就是我的报错率就更低了。就是基于这样的原理，我们就可以把太阳光尽可能多地筛选过来，让它能够透过我们的薄膜，来加热我们的屋子，我们可以充分地利用这部分太阳能量。
太阳热辐射与室内热辐射最大的区别，就是它们处于不同的波段。如果我们在玻璃上设置好波段的入出条件，就可以调控它们的去留。基于这样的思路，科学家研发了一种新材料。他们将高透明高分子材料与具有特定结构的纳米组分单元相结合，高透明高分子材料让可见光可以更好地通过。纳米单元则负责筛选辐射，它遇到短波长的太阳辐射就会被激活，然后将这些能量“放行”。而对于室温物体所发射的长波长的热辐射，则会形成一张“大网”，将其反射回去。当这种材料与玻璃相结合，就可以让玻璃在保持良好的透光性的同时，让热辐射可以选择性通过，进而达到冬季保温，夏季阻热的目的。高效节能玻璃跟过去我们传统已经有的，这个节能玻璃比较起来，它的特点是什么？优势在哪里？它的一个优势，首先就体现在高效，比如说在冬季，在保证室内节能的同时，我们还可以让尽量多的太阳能照射进来，那么这样的话，对室内的温度控制，我们就有一个更加好的效果，可以更高效地利用太阳能。我们也对现有的这个节能玻璃，也进行了调研，那么一般情况下，它的可见光透过率，相对比较低，大概是在30%到70%的这样一个范围。但是，我们现在可以达到85%甚至以上，这样的话可以更充分地去利用它，它可以让更多的光照进来。
那么，第二个特点，我想是在于它的生产、运输过程中的方便性，我们刚才提到就是常规的这个低辐射玻璃，它生产过程中是要在真空中，去蒸镀各种的镀层。那么这个过程中，就会产生比较高的一个生产成本，同时运输也不方便，在更换过程中，当然也会带来这样一个问题，就是我需要整体更换，因为里面是真空的。所以说我们这个优势就在于，只要现在这个玻璃只要成型了，那么不管它是传统的这种玻璃也好，还是这个已经是有一定节能性能的玻璃也好，我们只需要涂上这个涂层就可以了，我们不需要再做其他的变动，我们不需要把玻璃给拆掉，只需要进行这个涂层，或者是我们做一个贴膜贴上去，那么这样就结束了。那么第三个特点，也是它的很重要的灵活性，就在于它是柔性的一个材料。那么这样的话，我们就可以把它应用于不同的场景，比如说我们知道像现有的低辐射玻璃，如果我们想把它应用在账篷上，那么这个难度就比较大了。因为我们知道它是个硬东西，为了保护里面的功能层，它需要用一个双层很厚的玻璃把它给保护起来，这样的话就丧失了它的柔性，丧失了它的灵活性，我们就可以通过我们的技术，我们可以做成贴膜，或者是直接做成涂层喷涂在账篷上。
那刚才我们也提到一个问题，人们对这个热辐射的这个需求，冬天和夏天是相反，我们的高效节能玻璃，是怎么解决这个问题呢？这个时候，我们其实有很多种选择，因为这个方面我们有很多成熟的解决方案，比如最简单的，我们就是用一个（块）遮光板，把它这个太阳光部分给它反射了，那就可以解决了。其实在夏天的话，我们对室内加热的这一部分，由两部分组成，就像这个太阳光这部分。还有一部分能量，就是我们周围的物体吸收太阳能量之后，它温度升高，像室内的一个二次辐射，就是向室内再发射一次更高温度的这种红外（线）。我们的这个玻璃，就是因为它在保证比较高的可见光透明的时候，对于这种能量还能很好的去反射，所以它就实现了夏季节能。我们屋里边，在夏天温度上升，其实是两个因素共同作用的，一个是太阳光的直射，除此以外还有外边的汽车、马路等等，玻璃接收了这些热量之后，玻璃就热了。那么这个热量，玻璃热了之后会向屋里面传递，那我们的高效节能玻璃，做不到去挡这个太阳光的这个直接照射。但是我能挡得住马路的汽车、尾气热量，这些的中远红外（辐射），相当于它跟（其他）玻璃比，其实还是制冷效果提升了。
那这样我们来算一笔账，大家可能就更清楚了，使用高效节能玻璃之后，到底给我们的生活，假如说普通一个家庭使用了它，能减少多少成本。首先，比如说我们在南方地区就是冬天，它的温度有点冷，但又不是非常冷，只是让人不舒服。那么这个时候，我可能就需要这个室温，提升个5（摄氏）度6（摄氏）度，大概就这样也就可以不错了。那么如果说我们采用常规的取暖方式，可能比如说我们用电暖器去加热，这个时候就要耗电，但是如果用了我们这个薄膜的话，这个时候可能就可以把这个电暖器给它代替掉。如果我们算这个节能的比例，可能就是100%，因为它完全地代替了这样一种自采暖。对，这种用电器，但是有些时候，比如说在夏季，那么我们需要考虑，比如说不同的地方的光照会不一样。那么通常有一个平均值，就大概的这个行业内的一个看法，就是夏季可能它的这个节能，通常是如果我们用非常高的反射率的玻璃，大概能够节省60%多，就是不到70%的样子，这是一个很大的比例了。其实从夏季的这个制冷的节能，那么我们整体来计算一下。
对于普通的，比如说在我们北京。那么一个100平米的房子，我们的估计是在这个冬夏两季，大概节约的电费是1000到2000元。我个人认为，这个高效节能玻璃，其实它更广阔的用途其实是用在商用上。你比如说我们现在大城市，大家都知道我建一个楼，这楼本身地又很贵，楼也很贵，那么又要它漂亮，甚至是30层、50层，甚至70层楼，现在大部分的楼都是我们叫玻璃幕墙。看起来轻一色的，这个全都是所谓的这个玻璃的结构，然后又漂亮又大气，那么这些其实带来的能源消耗是非常大的，就是冬天我需要加热，夏天我需要制冷，那么这里面有各种各样的能源问题。其实着眼于整个全局来说，其实这个即使是你花钱也是不划算的，不管是对于国家还是对于整个的社会，所以我们如果能把这个能量节约在这儿，其实除了省这个真正的真金白银以外，对于整个的这个节约，也就是资源的节约是一个很大的一个好处。新型玻璃的节能效果到底如何？一场试验正在进行。
两个玻璃房模型，一个由普通玻璃制成，另一个由高效节能玻璃制成。两个模型内的初始温度都是21摄氏度，打开模拟日光照射设备，让它们同时接受阳光直射。在同样的时间里，小房子里的温度会发生怎样的变化？一个小时过去了，普通玻璃房的温度提升到27.3摄氏度。高效节能玻璃房的温度升高到43摄氏度，分别比初始温度提高了6.3摄氏度和22摄氏度。高效节能玻璃房比普通玻璃房多提高了15.7摄氏度，这表明高效节能玻璃对太阳光热辐射有着更好的通过率，对室内热辐射的外溢也有着更好阻拦效果。试验证明，高效节能玻璃可以帮助我们更好地利用太阳能，也能帮助我们更好地节约能源。那么，高效节能玻璃为什么目前还没有被广泛应用？除了用于建筑，它还能用在哪些其他领域呢？目前我们的高效节能玻璃，它在整个我们的社会当中应用是一个什么状况？
目前，我们这个技术，还是在小试阶段，就是我们已经有批量生产，但是这个量相对小一些，我们在一些特殊地方进行了示范应用。作为这项技术的研制者之一，您觉得目前这项技术，还需要改进的有哪些地方？我们需要更多的一个测试，如果说我们把它拿到冰天雪地的这个东北，我们需要面对的这个耐环境性测试，可能就更加地严苛。那么是不是它还能很好地贴附在玻璃上，这都是很重要的一个问题。同时，包括就是如果放在这个冰雪比较多的地方，那么我们也需要看看在风刀霜剑之下，是否它还能给我们带来惊喜。另外一个方面，就是我国现在逐步地成为这个海洋大国，海洋强国，那么我们有大量的船只，大量设备是在海上的，那么这些设备其实也是需要节能的。那么我们的这种材料呢？是否可以带来在海上，带来这种节能效果，同时能够在这个比较强的盐雾环境下能够生存，这也是我们需要测试的需要更多的尝试和测试。
其实刚才还有一个问题，我特别想问，它的使用寿命到底有几年？对，这是一个很关键的问题。其实我们现在，已经进行了一定的就是在我们国家常规的一些城市的老化测试，大概对应于我们现在的这个寿命，应该是在五年以上。但是再往上，因为我们测试时间是长还没有到，那我们不能判断它，是否是能够继续有效，还是说五年之后就不行了。但至少五年的话，我认为从经济性的角度来讲，这个已经是可以接受的了，因为我一年就可以收回成本，那么剩下的其实就是我们赚到的了。那这项技术未来还会应用在哪些领域里？我们的这个材料是柔性的，相对于我们传统的这种低辐射玻璃，相比它在这个方面就有了一个应用灵活的优势，我们可以做一个帐篷，在帐篷上只要涂上我们这个涂层就可以了。所以我想着这种将来这种在野营中，使用的这种节能帐篷，保温帐篷可能是它的一个应用点。然后呢，还有一种情况，是我们认为可能会出现的，就是食品的运输过程中，比如我们叫个外卖，我们看现在外卖小哥的车子后面是一个箱子，那么这一个箱子，可能就是考虑到它的保温。那么可能将来我们的外卖小哥，他的车子后面可能是两个箱子，一个是透明的，就是用了我们这个涂层，就是对于这种热的食物呢，它的保温效果会更好，保温时长更长。
那么另外一个，是这个啊，可能是不透明的。那么它呢，我们也不需要利用什么太阳能，那就是直接就做成这种像传统的这个保温的箱子一样，我们就可能放的冰淇淋，可能是一种冷的食物。那么还有一类就是我们考虑现在，就是有些无人机，就是如果说在这种高空下，我们能够用我们的这个技术，把机舱里边的环境温度给控制好了，让它温度高一些，那这样的话就可以保证。即使在比较低温的这样一个周围环境下，我们的无人机仍然能够长期的工作，农业大棚方面可能会有一定的应用，就是现在比如说我们有时候需要这个反季节蔬菜，可是有些地方，可能它整体的这个纬度就特别高，那么我们太阳的照射可能不那么充足，周围环境会很冷。那这个时候可能我们的这种加强型的，相当于是塑料大棚2.0的这样一个技术，甚至有些科学家脑洞大开，他想着将来我们人类去火星，那么在火星上我要种菜呀。那么这个时候，因为火星离太阳更远一些。如果想更好地去利用太阳能，可能这也是一个不错的（方法）。你觉得这项技术未来它的前景会是怎么样的？两位都可以给我们畅享一下。
只要有大量的能源的进入，我们应该考虑是如何利用它，那么这个时候我们就可以考虑，我们可以在这个薄膜前面，我们可以再加一层透明的太阳能电池或者是薄膜电池。那这样的话，我们就可以有选择性地，让太阳光在先经过这一层电池，那我们可以把其中的一部分，就是我们不需要用来照明，也不需要用来加热的部分，我拿来发电，剩下的再进入室内就可以用来照明。更高效地利用我们已有的太阳能的设备。对，还有我们现在这个技术，其实最主要的核心它是一个选择性通过，那么只要我能让光选择性通过，我就可以让所有的光范围（内）的就是叫电磁波，我都可以选择性通过。那我们说，比如说我们现在经常说的信号，我在这个房子里面，可能信号就不是特别好，那原因在于什么？
原因在于房子外面那个基站，它的这个电磁波传不到房子里边来，那么可能是由于墙体太厚了，也有可能是因为种种的问题。那么如果用了我们这个技术，我就可以选择性地让我想进来的电磁波就能进来，反之，我还能让我不想进来的电磁波还能排除它的干扰。那么这个时候我可能希望的这些打电话这种信号可能就非常好（通过）了。那我不希望的一些频段，比如说我对人体有辐射的有伤害的，那我不希望它进来，那我就可以选择性地把它排除掉。那么这个时候，我们的通讯或者是一些这个相关的一些信号接收，就会效果更好，那么可能传输速度会更快。今天我们说的是玻璃，但实际上我们是在已有的玻璃上，罩一个膜，这个膜是让我们可选择的光合理地透过，甚至更好地透过。感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，那如果你想了解我们更多的内容，也可以下载我们的央视频，去收看我们更多的节目。我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
