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  全球建筑能耗約占總能耗的40%，并產生約33%的溫室氣體排放。作為建筑圍護結構中最薄弱的部分，窗戶導致了約60%的能量損失，這與傳統窗戶能效不足及現代建筑高窗墻比密切相關。因此，降低建筑熱負荷對于應對氣候變化和實現碳中和目標至關重要。熱致變色水凝膠智能窗以其零能耗和動態調光能力，成為實現建筑被動式節能的可持續解決方案。然而，H₂O對近紅外（NIR）能量的顯著吸收，嚴重制約了光譜響應性能的提升。

  近日，復旦大學材料科學系武利民教授團隊創造性地利用同位素氘水（D₂O）驅動的水凝膠智能窗體系（圖1），解決了傳統水凝膠近紅外強吸收（43%）的核心難題，實現了接近理論極限的太陽光（300-2500 nm）透射率調制（ΔT_sol=91.97%）和近紅外透射調節率（ΔT_NIR=91.21%）。重水比水的相對分子質量高約11%，極性低于H₂O。在相同NIR輻射條件下，盡管摩爾質量相同，D₂O的近紅外和能量吸收能力較H₂O更低。隨著同位素分離技術成熟，D₂O成本將持續降低。

圖1. D₂O基熱致變色水凝膠智能窗的光譜調制。相較于普通水凝膠智能窗，D₂O水凝膠智能窗的太陽光透射率調制和近紅外透射調節率大幅提升。

  在上海實地測試中，該智能窗夏季比環境溫度低8℃，冬季升溫5.6℃（圖2）。此外，通過引入銀納米線（Ag NWs）復合結構設計（圖3），進一步增強了長波紅外發射率（8-14 μm）調控（Δε=31.89%），實現太陽光譜與紅外輻射同步管理。并深入探究了D₂O同位素替代對分子振動能級的調控機制，揭示了O-D鍵與O-H鍵在近紅外吸收的頻移規律。該同位素驅動型水凝膠智能窗在調制幅度與能效指數等關鍵參數上均顯著超越現有熱致變色器件，為建筑節能領域提供了關鍵技術方案。此外，研究團隊指出，隨著同位素分離技術成熟，重水成本將持續降低。

圖2. 同位素水凝膠智能窗戶外溫度測試，驗證了其溫度自適應優勢。

圖3. 采用銀納米線（AgNWs）修飾技術與聚乙烯（PE）外層封裝方法，實現了對可見光、近紅外以及中紅外全波段的調控能力，為溫度自適應性提供了一個新途徑。

  該研究于7月29日以“Isotope-driven hydrogel smart windows for self-adaptive thermoregulation”為題在線發表在《Nature Communications》上。復旦大學材料科學系武利民教授、上海理工大學王彤特聘副研究員為通訊作者，博士生涂鴻軼為第一作者，復旦大學陳敏教授多次參與了討論。

  相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目等的支持。

  原文鏈接：Hongyi Tu, Tong Wang, Min Chen & Limin Wu, Isotope-driven hydrogel smart windows for self-adaptive thermoregulation. Nature Communications, 2025.

  https://doi.org/10.1038/s41467-025-62432-3