出品：科普中國

制作：陳琳(中國科學院工程熱物理研究所)、陳勁濤（北京航空航天大學）

監(jiān)制：中國科學院計算機網絡信息中心

玻璃出現(xiàn)在我們人類社會已經有幾千年的歷史了，但在相當長的時間里，玻璃其實是一種奢侈品，差不多和金銀珠寶是一個級別。比如《紅樓夢》中的賈蓉，就曾為了“炫富”找王熙鳳借一個玻璃炕屏，顯示自己是上流社會的人。二十世紀初，因為制作工藝的突破，玻璃才開始逐漸走入尋常百姓家。

玻璃最顯著的特質是具有強透光性，人們在屋子里既可以享受陽光，也能看到外面的風景。

窗內的夜晚（圖片來源：veer圖庫）

但是玻璃的這個特性，也存在弊端。

每到夏天，太陽光透過玻璃射到室內使房間的溫度升高；而到了冬天，熱量透過玻璃大量流失導致屋內溫度下降。

目前的研究表明，我國經由門窗玻璃損失的能耗，已經占到了我們整個社會總能耗的約五分之一。這是一個非常令人吃驚的一個數字，也是我們很少注意到的。

那么，玻璃是怎樣浪費能源的呢？

玻璃浪費能源的原因——熱輻射

根據熱力學基本原理，我們知道，熱量傳遞主要有三種形式：熱對流、熱傳導和熱輻射。

熱對流，是指氣體或液體因流動而使熱量傳遞的現(xiàn)象。比如說，有一扇窗戶，把它關上就可以阻擋室內外的空氣對流，從而減少能耗。

熱傳導，是指熱量會從溫度較高的地方傳到溫度較低的地方。從熱傳導的角度來看，要得到節(jié)能效果好的玻璃，我們可以把玻璃做厚一點，或把玻璃做成兩層，在兩層中間留個中空，甚至進一步，把中空區(qū)域抽成真空，也就是現(xiàn)在常見的雙層玻璃。

熱輻射，是指物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。從這個角度來看，情況就稍微復雜一些。

我們裝玻璃的目的，是希望能看到外面的世界。與此同時，房間會通過玻璃接收來自太陽的輻射以提高內部溫度，然而室內的加熱器又會通過玻璃向外輻射電磁波導致房間溫度降低。

那么，真正好的節(jié)能玻璃是既會讓太陽輻射進來，又讓提高房間溫度的輻射不輕松地往外跑掉，把所有的輻射都控制住。而大量的熱輻射溢出，正是玻璃浪費能源的關鍵途徑。

熱量傳遞的三種形式（圖片來源：參考文獻3）

比如在冬季，室內熱量的來源主要是太陽輻射和加熱器輻射。

太陽輻射會通過玻璃進入室內，而室內溫度通常高于室外，再加上暖氣片、加熱器等各類取暖設備會發(fā)射出室溫下的中遠紅外輻射，輻射打到玻璃上，使玻璃吸收輻射的熱量后升溫。隨后，玻璃又會把這部分能量交給室外的冰天雪地，由此造成大量的能量流失。

如果說，我們可以用一種方式，讓太陽輻射更多地進入并且取暖設備輻射更少地流出。那么，就可以大大地減少這類能源消耗。

不同的輻射通過普通玻璃（圖片來源：參考文獻1）

如今，科學家們已研發(fā)出一種新材料。把它涂到玻璃上之后，玻璃就擁有了調控陽光的能力，變成新型節(jié)能玻璃。

那么，這種新型材料是什么？它如何讓玻璃發(fā)揮節(jié)能作用？與傳統(tǒng)節(jié)能玻璃相比，又有什么優(yōu)勢呢？且聽我慢慢道來。

調控熱輻射的超材料研制成功

太陽熱輻射與室內熱輻射最大的區(qū)別，就在于它們處于不同的波段。因此，如果在玻璃上設置好波段的出入條件，我們就可以人為地調控它們的去留。

基于這樣的思路，中國科學院工程熱物理研究所的科研人員將高透明高分子材料與具有特定結構的納米組分單元相結合，設計了一種對于輻射能夠進行調控的一種超材料（是指具有特殊性質的人造材料）。

把這種人造材料涂抹在普通的玻璃上，就可以把普通的玻璃變成新型節(jié)能玻璃。

太陽熱輻射與室內熱輻射所處的波段（圖片來源：參考文獻1）

在這種超材料中，高透明高分子材料可以讓可見光更好地通過，納米單元則負責篩選輻射——遇到短波長的太陽輻射時，它會被激活，并放行能量；而對于室溫物體所發(fā)射的長波長的熱輻射，則會形成一張“大網”，將其反射回去。

這種超材料與玻璃相結合，就可以讓玻璃在保持良好透光性的同時，選擇性通過熱輻射，進而達到冬季保溫、夏季阻熱的目的。

超材料吸收太陽熱輻射并阻礙室內熱輻射外溢（圖片來源：參考文獻1）

新型玻璃的節(jié)能效果到底如何？科研人員進行了一場實驗：兩個玻璃房模型，一個由普通玻璃制成，另一個由高效節(jié)能玻璃制成。兩個模型內的初始溫度都是21攝氏度，打開模擬日光照射設備讓它們同時接受陽光直射。

實驗結果顯示，一個小時過去后，普通玻璃房的溫度提升到27.3攝氏度，高效節(jié)能玻璃房的溫度升高到43攝氏度。

輻射調控玻璃房和普通玻璃房升溫對比試驗（圖片來源：參考文獻1）

兩個模型房的溫度相較于初始溫度，分別提高了6.3攝氏度和22攝氏度。也就是說，高效節(jié)能玻璃房比普通玻璃房多提高了15.7攝氏度。

輻射調控玻璃房和普通玻璃房試驗升溫結果（圖片來源：參考文獻1）

這表明，高效節(jié)能玻璃對太陽光熱輻射有著更好的通過率，同時對室內熱輻射的外溢也有著更好阻攔效果。

試驗證明，高效節(jié)能玻璃可以幫助我們更好地利用太陽能，也能幫助我們更好地節(jié)約能源。

高效節(jié)能玻璃有哪些優(yōu)勢？

對比現(xiàn)有的節(jié)能玻璃，新型節(jié)能玻璃的優(yōu)勢主要有三點：

第一是高效性。使用新型節(jié)能玻璃，可以在保證室內節(jié)能的同時，盡量讓更多的太陽能照射進來，因此對室內的溫度控制有更好的效果。

調研顯示，現(xiàn)有的節(jié)能玻璃的可見光透過率相對較低，一般為30%～70%，但新型節(jié)能玻璃可達到85%以上，讓更多的光照進來。

第二個優(yōu)勢是生產、運輸和使用過程中的便捷性。生產常規(guī)節(jié)能玻璃要在真空中蒸鍍各種鍍層，這個過程會產生較高的生產成本，運輸也不方便。另外，因為常規(guī)節(jié)能玻璃的里面是真空的，更新替換需要整體更換。

而對于新型節(jié)能玻璃來說，不管是傳統(tǒng)玻璃，還是有一定節(jié)能性能的玻璃，只要已然成型，就不需要拆掉或再做其他的變動，只用涂上這種材料，或者貼上由該材料做成的貼膜就可以使用了。

第三個優(yōu)勢是靈活性。這種超材料是一種柔性的材料，它可以應用于不同的場景。

舉個例子，在以前，如果想把低輻射玻璃應用在帳篷上，難度就比較大。因為低輻射玻璃需用雙層的、很厚的玻璃把里面的功能層保護起來，缺少靈活性。而現(xiàn)在，我們可以通過這項新技術，將超材料做成貼膜，或者直接做成涂層噴在帳篷上。

雖然高效節(jié)能玻璃在實驗室中表現(xiàn)良好，但由于更廣泛的耐環(huán)境性測試，例如嚴寒地區(qū)、強鹽霧地區(qū)的測試還未開展，普適性還有待考證。

一項新科技研發(fā)在運用到生活中之前，需要完善嚴謹的科研實驗和探究分析。但這并不妨礙我們期待這項技術的應用未來，因為它本身的特性，就能給我們帶來無限的憧憬。

高效節(jié)能玻璃有哪些應用前景？

高效節(jié)能玻璃的靈活性讓科學家看到了眾多的應用前景。

例如，我們需要在農業(yè)大棚種植反季節(jié)蔬菜，可是有些地區(qū)因為整體緯度特別高，太陽的照射不充足，棚內溫度較低，種植效果不甚理想。

而如果將這種超材料涂抹在棚上，就能提升并維持棚內的溫度，相當于加強型的“塑料大棚2.0”。

有些科學家甚至腦洞大開，想著將來人類若能在火星上種菜，或許可以使用這種超材料更好地利用太陽能。

蔬菜大棚（圖片來源：參考文獻4）

再比如，這種超材料還可以用于增強箱子的保溫性。將來，添加了超材料涂層的、具有更好保溫效果的透明箱子，也許會讓我們品嘗到更為可口的食物，也能助外賣小哥一臂之力。

高效節(jié)能玻璃還能提供更多技術想象。它的核心其實是選擇性通過光輻射。如果科學家能讓光選擇性通過，那么，是不是也可以讓所有光范圍內的電磁波選擇性通過？

我們有時在室內手機信號不是特別好，原因在于房子外基站的電磁波傳不到房子里面來。如果能夠在目前的技術上進行更新升級，我們是不是就可以選擇性地得到想要的電磁波，排除其他雜波的干擾？甚至于，我們是否可以隔絕對人體有輻射的、有傷害的電磁波進入房間？

或許在不久的將來，科學家們能夠成功破題，帶領我們窺見真理一隅。

參考文獻：

1. 《透視新科技》 20210417 調控陽光的玻璃_CCTV節(jié)目官網-CCTV-10_央視網(cctv.com)

2. 玻璃窗外北京都市風光圖片素材_ID:VCG211129496296-VCG.COM

3. 熱傳導、熱對流、熱輻射的定義與區(qū)別_百度知道 (baidu.com)

4. 現(xiàn)代蔬菜大棚建造如何解決種植光照問題 (11467.com)

5. 送外賣這么辛苦，為什么還這么多人搶著干？_收入 (sohu.com)