一、研究背景

为了提供理想的室内条件，而不考虑室外环境，只需少量或不需要额外的能源供应，建筑围护结构需要通过热传导、对流和排放来尽量减少内部和外部的能量交换。由于对可见范围的透明度和雾度有典型的严格要求，用玻璃来实现这一目标特别具有挑战性。虽然目前应对这一挑战的方法是利用带有空气或填充气体的中空玻璃单元（IGU），但这种中空玻璃单元的高热阻隔性能要求玻璃板之间有较大的间隙厚度，而这又受到气体对流、玻璃板数量和结构的限制。另一方面，使用更薄的真空中空玻璃单元，则受到密封完整性和高成本的限制。低辐射银和其他涂层可以限制来自室温建筑内部的类似黑体的电磁辐射所造成的能量损失，尽管它们只能捕获一小部分逸出的能量，而代价是可见范围的透明度下降。气凝胶是一种高热绝缘材料，用于从管道绝缘到火星探测器的各种应用，作为气体填充物的固体材料替代品，在中空玻璃内部的应用一直备受追捧，因为它们作为一类能够胜过静止空气和其他气体填充物的高效热障的材料而脱颖而出。然而，气凝胶通常在机械上是脆弱的，并有强烈的散射光。在与建筑相关的规模和成本下，制造具有低雾度、高透明度和机械坚固性的气凝胶也仍然是一个挑战。透明气凝胶的开发，包括纤维素基的气凝胶，仍然局限于小规模，同时也具有雾度和透明度的特点，仍然不足以用于大多数类型的玻璃。虽然控制热辐射的技术解决方案已经非常充分并被广泛使用，而且最近出现的电致变色方法有望解决太阳能增益和隐私控制的需要，但缺乏良好的透明隔热层极大地限制了窗户技术的能源效率。

二、研究成果

在这里，科罗拉多大学的Ivan I. Smalyukh团队展示了高度透明的硅烷化纤维素气凝胶（SiCellAs）的可扩展制造，其材料特性足以用于玻璃应用。这些高度热绝缘的SiCellA材料，夹在玻璃板之间，可以使窗户具有较高的热流阻力R，如RB = 5 h ft2°F Btu-1（北美常用的英制单位，其中Btu代表英国热量单位）和RS≈0.9 m2 K W-1（国际单位制）。SiCellA可能有助于以传统双层中空玻璃的几何形状系数实现这种高的R隔热性能，并可能实现采光和天窗的玻璃，不仅可能超过窗户的现行标准和目标，甚至可能超过建筑墙体的标准。虽然使用空气或其他气体填充物的中空玻璃受到大窗格之间的对流和多窗格玻璃-空气界面的光线反射的限制，但基于SiCellA的中空玻璃不存在这种内在的限制。这种玻璃可以使建筑围护结构的设计更好地利用外部条件，为居住者提供自然的舒适度。他们展示了SiCellA薄膜如何用作中空玻璃单元的填充物，以及在多层中空玻璃单元设计中取代内部玻璃板，并与现有的热辐射范围和太阳能增益控制的解决方案完全兼容。他们设想SiCellA将为建筑技术所面临的能源管理挑战提供一个整体解决方案，甚至有可能帮助下一代建筑从环境中利用能源，通过增加玻璃的使用，更好地利用太阳能加热和自然采光，前提是SiCellA的生产在经济上可行。相关研究工作以“Highly transparent silanized cellulose aerogels for boosting energy efficiency of glazing in buildings”为题发表在国际顶级期刊《Nature Energy》上。祝贺！

三、图文速递

图1. 基于SiCellA的窗户改造和IGU

研究者的透明、超级隔热的SiCellA材料被设想用来提高现有窗户的效率，并实现先进的窗户产品（图1a,b），正如他们使用基于SiCellA的改造薄膜和中空玻璃的原型在窗户相关的尺度上所展示的那样（图1c-e和补充图1和2）。由于静电充电，SiCellA薄膜很容易粘附在塑料薄膜和玻璃板的表面。SiCellA薄膜（图1c）在用作单层玻璃窗的改造时，可以提高其内表面的隔热性能，这一点在冬季玻璃外表面温度的热成像中得到了生动的体现（图1f）。经测量，改造后的玻璃外表面的温度低于没有改造的类似玻璃，因为安装了SiCellA改造后，能更有效地阻挡通过窗户的热量传递（图1f）。热箱和冷箱（方法）分别模拟了夏季和冬季的室内外热交换，说明SiCellAs在单层玻璃上夹层或插入双层中空玻璃的缝隙中时，具有类似的优越的热障性能（图1g，h）。

图2.窗口尺度下超疏水SiCellAs的制备

接下来，他们通过用异丙醇或乙醇代替水来交换凝胶内的流体介质（图2a，b和补充图4c，d），然后凝胶被超临界干燥以形成气凝胶（图2c和补充图5a-d）30。这些制造程序是高度可扩展的（图2a-c），并与卷对卷加工兼容，结合了简单的步骤，如成型以确定所需水凝胶的体积，在适度升高的温度下进行溶剂交换（方法和补充图4），在塑料支架上滚动和干燥凝胶（补充图5b，d，f）。此外，它们可以防止纤维素纳米纤维在凝胶化或干燥过程中的聚集，从而使最初透明的胶体分散体在水凝胶和气凝胶状态下保持透明（图2d，e和补充图5）。

制造过程的一个重要部分是纤维素表面被硅烷化，这可以在超临界干燥后通过气相功能化（图2f）或在干燥前的水凝胶阶段完成，两种方法的细节在方法中描述，图2f和补充图4e-k。硅烷化过程使SiCellAs具有超疏水性（补充视频1；注意图2h中显示的水滴接触角>150°），这是窗户应用非常理想的特性，红外光谱学通过分析相应吸收线的存在或强度也显示了这一点（图2g）。

图3. 所研究气凝胶的纳米级形貌

纳米级的表征提供了对SiCellA材料的形成和结构的深入了解（图3）。个体化的纤维素纳米纤维是定义明确的棒状颗粒，宽度为4-6 nm，长度为数百至数千纳米（图3a）。凝胶化、表面改性、溶剂交换和干燥的制造过程将这种纳米棒的初始胶体分散体转化为具有纳米级形态的凝胶，其特点是薄纤维网络，纤维间的孔隙通常小于100 nm（图3b-d和补充视频2）。通过控制纤维素纳米纤维的初始浓度，可以改变SiCellA的孔隙率（图3e），它与材料的质量密度呈线性关系。氮气的吸附-解吸分析与直接的纳米级成像一致，产生了关于SiCellA的多孔形态的定量信息（图3f,g，补充图6和补充视频2），与相互连接的纳米纤维网络相关（图3h）。

图4. SiCellA材料的光学特性

现代窗户和天窗被期望有效地将受控的室内环境与建筑物的外部分开，同时通过透明性来实现其主要功能，这就对各自的材料特性提出了要求。为了探测这些特性，他们表明独立的SiCellA板具有非常高的可见光范围的透射率，在97-99%之间，远远高于单个透明玻璃的92%（图4a-c，补充图1和补充表1）。此外，雾度系数很低，通常在1-3%以内，取决于SiCellA板的厚度（图4a，b）。可以制成高度透明、低散射的不同厚度的板块（图4b和补充视频3和4）。这种光学透明度源于SiCellA的纳米级结构（图3和补充视频2），其中气凝胶形态的所有长度尺度都比可见光谱范围内的光的波长小很多。

图5. SiCellA的热性能

图6. 纤维素基气凝胶的机械性能

传统气凝胶的机械稳定性差，阻碍了许多技术的应用，而SiCellA材料的机械性能很强（图6），其性能通过硅烷化得到部分提升。压缩和弯曲变形显示，这种材料可以承受各种窗户产品的制造和服务过程中预期的次级机械负荷（图6）。周期性的压缩循环显示出机械性能没有随着时间的推移而下降（图6c和补充图7和8）。毫米到厘米厚的SiCellA薄膜和板块可以弯曲，甚至可以滚动（图6c-g和补充视频6），同时保持高透明度，没有表现出裂缝或性能的退化。由于机械性能与孔隙率有关，通过制备不同孔隙率和固体含量的样品，也可以调整所需的机械行为（图6a,b,f）。考虑到上述所有特性，SiCellA材料具有独特的光学、热和机械性能组合，使其适合应用于窗户产品。

图7. SiCellA和窗户产品的耐用性、稳定性和耐冷凝性

图8. 含有SiCellA的窗户产品

四、结论与展望

总之，研究者展示了用于玻璃应用的高度透明的硅烷化纤维素气凝胶（称为SiCellAs）的可扩展制造。SiCellA薄膜可作为中空玻璃单元的填充物，在多层中空玻璃单元设计中取代内部玻璃板，并与现有的热范围辐射率和太阳能增益控制解决方案完全兼容。基于SiCellA的产品的市场渗透将取决于低成本生产的能力，这将需要进一步的研究和开发。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-023-01226-7