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面向智能窗用光子晶体膜的按需构建及其红外辐射性能研究

申报人:韦深 申报日期:2025-01-02

基本情况

2025年批次
面向智能窗用光子晶体膜的按需构建及其红外辐射性能研究 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
目前室内控温多靠空调等耗能技术手段,不利节能环保的发展理念。本项目为解决太阳能利用率低与化石能源污染问题,构建温度响应型光子晶体,探究其对大气窗口热红外波段辐射性能调控。具体是构筑光子晶体阵列,用表面引发原子转移自由基聚合接枝温敏性聚合物,构建温度响应型光子晶体用于红外智能窗,研究其结构调变与红外辐射调控机理,以实现可逆调控。此研究可拓展光子晶体应用,达成节能环保,具重要经济社会效益。
光电转换材料与器件(√),电子信息材料与器件(),储能材料与器件()
导师对本项目给予经费支持与科学指导。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
韦深 材料科学与工程学院 高分子材料与工程(创新班) 2023 实验方法设计
戴书波 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2023 实验数据整理
黄深梅 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2023 实验操作,测试
谢明君 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2023 数据收集,分析
冯荣全 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2023 文献收集

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
李裕琪 材料科学与工程学院

立项依据

开展光子晶体与温敏性大分子聚合构建智能响应型窗户及其对大气窗口热红外波段调控的研究,以智能响应型光子晶体可逆调控红外辐射为主线,以有序结构构建和界面结构调控为关键控制点,通过对红外辐射可逆调控、有序阵列结构制备、应对外界变化做出响应等条件制备出能够在大气窗口热红外波段可逆调控红外辐射的智能响应型光子晶体。
本项目拟围绕光子晶体有序阵列结构构建及红外辐射性能研究(A模块)、温度响应型聚合物与光子晶体聚合(B模块)和智能响应性光子晶体对红外辐射调控(C模块)这三个方面进行展开(见图1)。
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图1研究内容概要图(A模块,光子晶体有序阵列结构构建及红外辐射性能研究;B模块,温度响应型聚合物与光子晶体聚合;C模块,智能响应性光子晶体对红外辐射调控)

(1)光子晶体有序阵列结构构建及红外性能研究(A模块)
确定合适的光子晶体参数是提高光子晶体调控红外辐射性能的重要前提。因此,本项目拟结合理论计算方法与实验测试手段,针对大气窗口热红外波段分析筛选出最佳的光子晶体结构。具体内容包括:
(a)利用平面波展开法,确定大气窗口热红外波段合适的光子带隙范围;根据光子带隙的宽度和强度,确定对应的光子晶体结构参数,在石英玻璃基体上构筑具有周期性排列结构的光子晶体材料;研究化学刻蚀、物理刻蚀、原位沉积和原位组装等处理方式对光子晶体的微结构和带隙的影响;根据光子晶体微结构、带隙宽带、界面特性与基体材料之间的作用方式和规律,研究光子晶体材料的制备方法和工艺对其光学性能的影响机制及调控规律,优化实验参数,获得最佳的光子晶体材料制备条件。
(b)通过化学刻蚀、物理刻蚀、原位沉积和原位组装等方式,探讨实验条件及方法对光子晶体的红外辐射性能影响和调控规律;研究光子晶体微结构对石英基体透光率(可见光)的影响及红外辐射性能(红外波段)的转变规律;重点研究光子晶体材料的结构形态、带隙与红外辐射性能之间的演变规律和和调控机制。

(2)温敏性大分子与光子晶体聚合及结构调变机理(B模块)
引入刺激响应型聚合物可以及时的应对外界的变化对光子晶体结构进行调整,通过调整晶格间距改变光子带隙进而调控大气窗口辐射,具体内容包括:
(a)在制得的光子晶体上引入温敏性聚合物,将温敏性大分子与光子晶体聚合,探索温敏性大分子单体类别与用量、催化体系及其用量、溶剂类型、溶液pH和温度等因素与调控光子晶体尺寸、光子带隙分布范围和宽度等参数的内在规律;研究温敏性大分子与光子晶体聚合过程的操作条件、试剂种类及用量与聚合产物尺寸、厚度、机械强度和粒子单分散性的协同关系,获得温度刺激响应型光子晶体的最佳制备条件。
(b)探究温敏性聚合物受外界温度变化时对光子晶体结构调变机理;明确功能化分子结构与光子晶体结构调变能力的构效关系;探讨微结构调控方式与机理,实现温敏性光子晶体聚合产物结构、机械强度、光子带隙分布的可控调节;研究温度刺激响应型光子晶体的低临界溶解温度与制备条件的关系,优化制备条件使低临界溶解温度接近于常温。

(3)智能响应型光子晶体对红外辐射调控(C模块)
将制备的智能响应型光子晶体应用于红外智能窗领域。具体内容包括:
(a)检测智能响应型光子晶体在不同温度下对大气窗口波段的反射光谱及发射率值,结合光子晶体结构与光传播特性之间的相互关系,通过光子禁带宽度和强度的改变探究周期性结构对红外辐射调控的机理;探究影响光子晶体对红外辐射调控的因素,明确光子带隙参数与红外辐射调控能力之间的构效关系。
(b)将反射光谱的实验值与理论值相比较,分析光子晶体结构参数对光子带隙的影响,并进一步明确周期性结构对于调控红外辐射的构效关系;调整光子晶体结构参数,增强可逆可控调变红外辐射的机制,优化智能响应型光子晶体的设计思路及方案。
红外智能窗户相关材料研究:
热致变色材料:南京理工大学宣益民院士、李强教授等课题组在热致变色材料制备与辐射特性研究领域做出突出贡献,主要探究热致变色材料的表面热辐射特性,为热致变色材料在红外智能窗户中的应用提供理论支持。
光子晶体材料:目前,光子晶体对红外辐射的调控大多在大气窗口中的近红外波段(0.78~3 μm),而能量比较集中的热红外波段(8~14 μm)的研究相对较少。这主要因为光子晶体的尺度在亚微米和纳米级别,而根据布拉格衍射方程,光子晶体的尺度应与被操纵的波长属于同一量级,因此调控热红外波段辐射的光子晶体尺寸应达到微米级。在这方面,北京理工大学孟子晖教授课题组[1]成功制备了以SiO2微球为基材的蛋白石型光子晶体,SiO2微球的尺寸是4.30 μm,对应光子禁带中心波长为9.37 μm,禁带宽度可以达到1.90 μm,意味着该蛋白石型光子晶体可以调控8.42~10.32 μm范围的红外辐射。这一成果对于光子晶体在热红外波段的辐射调控有很大的启发作用。目前,无论是光子晶体材料的制备,还是其形貌和性能的优化都有较为成熟的研究,但由于光子晶体材料多为无机材料,其结构调变性较差,导致光子带隙受限于固定的波段和波宽,不能在外界环境变化时对红外辐射做出可逆的调控。因此,如何在外界环境变化下使光子晶体结构发生改变,让光子带隙在红外波段的调控具有可逆性,是实现光子晶体在红外辐射调控领域智能化的关键问题。
温敏性大分子与光子晶体聚合:聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)是一种研究最广泛的具有温敏性的聚合物,因其分子链上疏水基团(-CH(CH3)2-)和亲水基团(-NHCO-)之间的亲/疏水平衡受温度影响而具有温敏性,且其低临界溶解温度在32℃与常温相近,在智能响应领域具有广泛的应用前景。通过文献查阅可知,大多数PNIPAM与SiO2聚合都是先通过SiO2表面改性,再利用自由基聚合法将PNIPAM接枝在SiO2表面。这种方法既可保证SiO2的完整度和机械强度,又保证PNIPAM的稳定性和可控性。山东大学冯胜玉教授课题组[2]将PNIPAM和药物微粒引入SiO2纳米颗粒中,通过可逆加成-断裂链转移聚合方法合成温敏性共聚物/硅胶纳米粒子。该方法合成共聚物的低临界溶解温度可由N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与丙烯酰铵(AM)的比率进行控制。华东理工大学徐首红教授课题组[3]制备了具有热响应效应的SiO2-透明质酸/聚异丙基丙烯酰胺核壳结构微粒。该方案通过将SiO2表面改性,在其表面聚合透明质酸(HA),再通过自由基聚合反应引入NIPAM,实现PNIPAM在SiO2表面的包覆(见图2)。因此,将温敏性大分子与光子晶体聚合,实现温敏性结构与光子晶体结构的协同作用,是解决温敏性聚合物调控光子晶体结构问题的关键。
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                             图2 SiO2与PNIPAM聚合机理图
欧洲国家提出红外智能窗户[4]的设计理念,将红外技术应用到传统窗户上,使其具有多种功能,该技术既可提高太阳能的利用率,又避免消耗其它能量来控温,实现节能环保的居住环境[5](见图3)。
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     图3传统控温方式与智能控温方式对比

红外智能窗户材料研究:
          多种材料性能对比表
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相转变材料[6]:Samad [7]等人使用相转变核壳材料制备相转变纤维织物用于温度调节和能量收集,但由于其在可见光波段不具有透过性,不适宜用于红外智能窗户 。

热致变色材料[8]:Michael [9]等人结合 VO₂热致变色的性质,制备了具有自清洁功能的 VO₂/SiO₂/TiO₂涂层用于节能窗户上,但该涂层无法达到可逆调控的效果 。

光子晶体材料[10]:Ke 团队[11]以 SiO₂微球为基底,制备出 SiO₂/VO₂核壳式光子晶体,可实现光子带隙对近红外辐射的动态调节,并在可见光范围静态调谐指定颜色的光波,推动了光子晶体在红外智能窗户领域的应用研究 。

发展动态:
国内外都在致力于提高智能响应型材料综合性能,如加强智能响应型材料的响应速度,在提升可见光的透光率的情况下,加强红外波段光的调控能力等等。

参考文献:
[1]张连超, 邱丽莉, 芦薇, 于颖杰, 孟子晖, 王树山, 薛敏, 刘文芳. 蛋白石型光子晶体红外隐身材料的制备 [J]. 物理学报, 2017, 66(08): 158-164.
[2]Yue, X.; Zhang, T.; Yang, D.; Qiu, F.; Li, Z.; Wei, G.; Qiao, Y., Ag nanoparticles coated cellulose membrane with high infrared reflection, breathability and antibacterial property for human thermal insulation, Journal of Colloid and Interface Science, 2019, 535, 363-370. .(前期工作)
[3]Li Xiangye, Ruting Chen, Shouhong Xu, Honglai Liu, Ying Hu. Thermoresponsive behavior and rheology of SiO2–hyaluronic acid/poly(N-isopropylacrylamide) (NaHA/PNIPAm) core–shell structured microparticles [J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2015, 90(3): 407-414.
[4]Yue, X.; Zhang, T.; Yang, D.; Qiu, F.; Wei, G.; Zhou, H., Multifunctional Janus fibrous hybrid membranes with sandwich structure for on-demand personal thermal management, Nano Energy, 2019, 63, 103808.(前期工作)
[5]Ke Yujie, Xinglin Wen, Dongyuan Zhao, Renchao Che, Qihua Xiong, Yi Long. Controllable fabrication of two-dimensional patterned VO2 nanoparticle, nanodome, and nanonet arrays with tunable temperature-dependent localized surface plasmon resonance [J]. ACS Nano, 2017, 11(7): 7542-7551.
[6]Wei, G.; Ding, J.; Zhang, T.; Qiu, F.; Yue, X.; Yang, D.; Wang, Z., In situ fabrication of ZnO nanorods/Ag hybrid film with high mid-infrared reflectance for applications in energy efficient windows, Optical Materials, 2019, 94, 322-329.(前期工作)
[7]Jafar-Zanjani Samad, Mohammad Mahdi Salary, Hossein Mosallaei. Metafabrics for thermoregulation and energy-harvesting applications [J]. ACS Photonics, 2017, 4(4): 915-927.
[8]Lin Jia, Minliang Lai, Letian Dou, Christopher S. Kley, Hong Chen, Fei Peng, Junliang Sun, Dylan Lu, Steven A. Hawks, Chenlu Xie, Fan Cui, A. Paul Alivisatos, David T. Limmer, Peidong Yang. Thermochromic halide perovskite solar cells [J]. Nature Materials, 2018, 17(3): 261-267.
[9]Powell Michael J., Raul Quesada-Cabrera, Alaric Taylor, Diana Teixeira, Ioannis Papakonstantinou, Robert G. Palgrave, Gopinathan Sankar, Ivan P. Parkin. Intelligent multifunctional VO2/SiO2/TiO2 coatings for self-cleaning, energy-saving window panels [J]. Chemistry of Materials, 2016, 28(5): 1369-1376.
[10]Fu Fanfan, Luoran Shang, Fuyin Zheng, Zhuoyue Chen, Huan Wang, Jie Wang, Zhongze Gu, Yuanjin Zhao. Cells cultured on core–shell photonic crystal barcodes for drug screening [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(22): 13840-13848.
[11]Ke Yujie, Igal Balin, Ning Wang, Qi Lu, Alfred Iing Yoong Tok, Timothy J. White, Shlomo Magdassi, Ibrahim Abdulhalim, Yi Long. Two-dimensional SiO2/VO2 photonic crystals with statically visible and dynamically infrared modulated for smart window deployment [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(48): 33112-33120.
(1)创新点:
将光子晶体与刺激性响应性聚合物聚合,利用聚合物对周围环境因素响应来调节光子晶体的结构,从而实现对红外波段的可逆调控,并且还能满足可见光透过光子晶体的需求,通过聚合让光子晶体与刺激响应性聚合物产生协同作用,比单一调控红外辐射性能的材料更智能化,性能更好。
(2)项目特色:
整个项目以智能响应型光子晶体在红外智能窗领域的应用为最终导向,高度重视光子晶体的结构形态(如微结构、周期性排列结构等)与性能(如透光率、红外辐射性能、光子带隙等)之间的关联及演变规律研究,确保研究成果具有较强的实际应用价值和市场潜力。
本项目拟围绕光子晶体有序阵列结构构建及红外辐射性能研究、温度响应型聚合物与光子晶体聚合和智能响应性光子晶体对红外辐射调控这三个方面进行展开。结合本单位实验中的仪器,需要重点实验室仪器和机时如下:
(1)光子晶体有序阵列结构构建及红外性能研究
需要实验仪器:扫描电镜、X射线衍射仪和比表面分析仪等。
(2)温敏性大分子与光子晶体聚合及结构调变机理
需要实验仪器:扫描电镜、高倍透射电镜、X射线衍射仪、拉曼光谱、傅立叶红外谱和X射线光电子谱仪等。
(3)智能响应型光子晶体对红外辐射调控
需要实验仪器:傅立叶红外谱仪、X射线衍射仪、电感耦合等离子体光谱仪 和X射线光电子能谱分析仪等。
预期成果
(1)发展具有有序阵列结构的光子晶体膜的可控制备工艺,探明光子晶体参数与光子带隙范围之间的构效关系,实现光子晶体在大气窗口热红外波段的红外辐射调控。
(2)发展温度响应型光子晶体的最佳制备工艺,探明温度响应基团对光子结构的调控机理,明确聚合物调变光子带隙的机制及规律。
(3)探明智能响应型光子晶体材料应对外界环境变化时的结构调变机制及其对大气窗口波段红外辐射调控机理,实现光子晶体膜对红外辐射的可逆调控,获得可对大气窗口热红外波段可逆调控的智能窗户。
(4)在国际学术期刊上发表高质量SCI收录论文1~3篇(影响因子大于3);
(5)项目执行期间,培养高层次的硕士研究生1~2名,协助指导博士研究生1名。 
(1)2025年01月-2025年04月
主要工作是光子晶体有序阵列结构的构建,在此基础上探究光子晶体结构和光子带隙之间的构效关系及光子带隙与红外波段的作用关系,具体如下:
  (a)通过平面波展开法,确定光子晶体结构参数;构建具有有序阵列结构的光子晶体并测试其红外辐射性能;
  (b)探究光子晶体结构与光子带隙作用波段的构效关系及光子带隙对红外波段辐射的调控机制;
  (c)筛选和优化最佳的光子晶体结构;
  (d)撰写第一年度中期进展报告。
(2)2025年05月-2025年08月
主要工作是在制备的周期性结构光子晶体上引入温度响应型聚合物,在此基础上探究刺激响应基团对光子晶体结构的调变机制,具体如下:
  (a)设计和引入温敏性大分子,制备具有刺激响应功能的复合型光子晶体;
  (b)阐明刺激响应基团对光子晶体结构的调控机理;
  (c)完成微结构调控方法的总结,揭示主导的调控因素;
  (d)撰写第二年度中期进展报告。
(3)2025年09月-2025年12月
主要工作是以光子晶体为基础的智能窗户的构建及对大气窗口热红外波段调控研究,在此基础上获得构效关系的深度认识,具体如下:
  (a)构建以智能响应型光子晶体为基础的智能窗户,测试其透光性能、稳定性能;
  (b)探究智能窗户对大气窗口热红外波段的调控机制;
  (c)获得光子晶体周期性结构与红外辐射性能的构效关系,总结相应规律;
  (d)撰写项目结题报告。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
研究积累:
(1)深入研究太阳能利用现状,熟知我国现有太阳能使用方式的不足以及欧洲红外智能窗户理念,为项目奠定能源领域理论基础。
(2)全面掌握红外智能窗户涂层材料特性,对相转变、热致变色、气凝胶和光子晶体等材料的优劣势进行详细剖析,积累材料科学知识,明确研究重点。
(3)深刻理解光子晶体结构模型、光子带隙原理等理论知识,具备光子晶体相关的扎实理论功底,为结构设计提供依据。
(4)清晰认识刺激响应型聚合物各类别特点及作用原理,尤其对 PNIPAM 特性与相关聚合方法深入了解,积累智能材料领域知识。
(5)熟练运用平面波展开法确定光子带隙范围,掌握光子晶体结构设计计算手段。
(6)对化学刻蚀等光子晶体处理方式及其影响有研究思路,在光子晶体制备与微结构调控方面有技术探索经验。
(7)考虑温敏性大分子与光子晶体聚合多因素研究,在聚合物与无机材料复合技术上有一定经验积累。
已取得成绩:
在相关材料性能研究中有初步数据,在光子晶体和刺激响应型聚合物基础理论研究中有概念验证或理论模型构建等基础支撑,为后续研究提供了起点与方向。
2.已具备的条件,尚缺少的条件及解决方法
已具备的条件
 (1).理论知识扎实:系统掌握太阳能利用、红外智能窗户涂层材料、光子晶体及刺激响应型聚合物等多方面理论,构建起稳固的理论根基。
 (2).技术方法基础良好:熟悉平面波展开法、多种光子晶体处理手段及大分子聚合相关因素研究方法,为实验开展提供技术支撑。
尚缺少的条件及解决方法
  a.关键仪器机时不足:项目关键仪器机时在研究高峰期可能短缺。
解决办法:提前与实验室协调安排使用计划,提高效率,或与外单位合作共享仪器。
  b.应用验证条件欠缺:缺少验证智能响应光子晶体在智能窗应用效果的场地设施。
解决办法:在校内或企业搭建测试平台验证性能。
  c.缺乏深度参与核心研究:缺乏光子晶体与温敏性大分子复合的深度参与核心研究。
解决办法:借鉴多学科专家的研究文献,推动团队成员跨学科学习交流

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 5900.00 4100.00
1. 业务费 2000.00 1200.00 800.00
(1)计算、分析、测试费 500.00 400.00 100.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 1000.00 500.00 500.00
(5)论文出版费 500.00 300.00 200.00
2. 仪器设备购置费 2000.00 1100.00 900.00
3. 实验装置试制费 3000.00 1600.00 1400.00
4. 材料费 3000.00 2000.00 1000.00
结束