深度│MIT科学家研发出可调节透明度的智能窗
高分子材料也许能成为智能窗的廉价替代品。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种应用广泛的橡胶状透明聚合物，图中展示的是它在像气球一样膨胀后，用灯盒从其底部照光后显示出来的三种颜色。顶部一排显示的是膨胀前的聚二甲基硅氧烷。底部一排显示的是膨胀后的聚二甲基硅氧烷，可以看到置于其下方的MIT的标志
如果你曾经吹过气球或拉扯过连裤袜，你可能会注意到材料伸展的面积越大，它就变得越透明。这是一个极其简单的观察：材料越薄，透过的光越多。
目前，麻省理工学院的科学家提出一个理论，这个理论在给定的材料厚度和拉伸程度条件下，精确预测了透过材料的光量。他们通过这个理论精确预测了，橡胶类的聚合物像弹簧一样被拉伸，像气球一样膨胀时，其结构变化的透明度。
弗朗西斯科·洛佩斯·西门尼斯（Francisco LópezJiménez）是麻省理工学院土木与环境工程学院的博士后，他说研究人员实验的聚合物结构和他们的预测可能对制造智能窗的廉价材料的设计有所帮助——智能窗的表面能够自动调整透过的光量。
“对于能够自动反射光的建筑物和窗户，便可节省在取暖和空调上的支出。”洛佩斯·西门尼斯说道。“问题是如果在建筑物的每一扇窗户上都覆盖这种材料，造价就太高了。我们的想法是寻找一种透光量相差不多的更简单更廉价的材料，那就是拉伸极其简单的材料：现成的透明聚合物。
洛佩斯·西门尼斯设想用多层聚合物结构覆盖窗户表面。他表示设计师可以利用研究小组的方程式，来决定作用于聚合物层的力度，以便有效调整透过的光量。
研究小组包括弗朗西斯科·洛佩斯·西门尼斯、佩德罗·里斯（Pedro Reis）、土木和环境工程学院和机械工程学院的副教授吉尔伯特·温斯洛·CD（Gilbert W. Winslow CD）和位于阿布扎比（Abu Dhabi）的马斯达尔科学技术学院的尚穆根·库马尔（Shanmugam Kumar）。近日，研究小组在《AdvancedOptical Materials》上发表了他们的研究成果。
聚合物桥面的叠加
当前的工作便源于洛佩斯·西门尼斯和库尔玛的相关项目，在该项目中，他们分析了聚二甲基硅氧烷简单嵌段的光传输属性。聚二甲基硅氧烷是一种应用广泛的橡胶状透明聚合物。聚合物嵌段有暗区，研究小组正在观察光穿透材料时聚合物嵌段是如何变形的。
麻省理工学院的博士后弗朗西斯科·洛佩斯·西门尼斯（Francisco López Jiménez ）正在伸展聚合物聚二甲基硅氧烷，他和他的同事过去曾预测当某种机械力作用于聚二甲基硅氧烷时所透过的光量
“这是一个幸福的意外，”洛佩斯·西门尼斯说。“我们刚刚研究了这种材料，并且很快就对如何对它进行预测并得到正确的数字产生了兴趣。
研究人员打算制造一种柔和颜色的复合物，当这种材料受到外部刺激，例如电、化学或机械力的作用，它的颜色或透明度就会产生变化。
赖斯和洛佩斯·西门尼斯制造了一种薄的、四方形的透明聚二甲基硅氧烷膜，与一种黑色的微米大小的染料颗粒溶液混合，它可能更易于拉伸或机械变形。不变形时，结构呈不透明状。当它被拉伸或膨胀时，材料可透过更多光。
聚二甲基硅氧烷薄膜膨胀，我们可以看到置于聚二甲基硅氧烷下麻省理工学院的标志
在最初的试验中，研究人员用灯照亮穿过加入染料颗粒的聚合物结构，并显示了通过材料的光量，并未发现变形。他们然后沿着光的方向垂直拉伸聚合物，测量了聚合物的厚度和透过的光量。
关于光的理论
他们将得到的测量值与他们通过方程式预测的数据做了对比。在方程式中，他们设计运用了比尔-朗伯定律(Beer–Lambert law)，比尔-朗伯定律是经典的光理论，它描绘了光穿过给定属性的材料的路径。研究小组将比尔-朗伯定律和他们的实验分析结合起来，导出来一个简单的方程式，预测穿过机械变形的聚二甲基硅氧烷结构的光量。
为了验证他们所导出的方程式，赖斯和洛佩斯·西门尼斯做了更多组的实验，在这些实验中，他们将聚二甲基硅氧烷夹在光盘形状的材料中，然后他们一边从实验对象下面照光，一边像吹气球一样使实验对象膨胀。他们测量了透过的光量，发现材料越被拉伸，越薄，穿过的光量就越多，和他们的方程式预测出的强度完全相符。
从实验角度看膨胀的聚二甲基硅氧烷材料
“当我们拉伸实验材料时，我们能够预测、描绘光的变化，”洛佩斯·西门尼斯说道。“如果你提供给我原始材料的属性，测量光源的强度，我们就能精确测量出材料变形时穿过的光量。”
下一步，他希望利用方程式调整有着更为复杂表面和纹理的材料的透明度和光透射率。
柔和颜色的复合物为制造可转换、可调整光属性的材料带来了更多机会，”赖斯说。“应用这种极其简单但又坚固可预测光量的材料是一项令人激动的挑战，将之应用在混凝土工程中值得期待，例如通过智能窗实现室内光控制。”
加州大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程系副教授蔡胜强（Shengqiang Cai）说除了智能窗技术之外，该研究小组的着色聚合物可应用于其它材料的应变测试。
“我想这种软性复合薄膜可能被用于非线性应变仪，”蔡说道。蔡并未参与到该项研究中。“通过在工程结构上附上软性复合薄膜，我们可能能够观察到它的表面变形，这对于监控表面的安全性来说显然是最重要的信息。这个想法很简单。但是，正如这些作者所论证的那样，薄膜的功能却是十分强大的。”
此项工作的开展由马斯达尔理工学院和麻省理工学院之间的合作协议提供支持。
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