新的窗户涂层可让可见光进入，但会阻挡热量

在炎热的天气里，家中高达 87% 的热量是通过窗户散发的。阳光中的紫外线很容易穿过玻璃，使房间升温，从而增加了空调使用时长，或者通过拉上窗帘或拉下百叶窗来放弃任何光线。不过，圣母大学（University of Notre Dame）的研究人员开发出一种窗户涂层，可以阻挡产生热量的紫外线和红外线，同时允许可见光进入，从而降低室温和制冷能耗。

透明涂层在减少产生热量的紫外线和红外线的同时，还能提供完整的视野

这项研究发表在《细胞报告物理科学》杂志上。

圣母大学 MÖNSTER 实验室（分子/纳米级传输和能源研究实验室）负责人罗腾飞表示，就像偏振太阳镜一样，新的涂层可以降低入射光的强度，但与太阳镜不同的是，新的涂层即使在不同角度倾斜时也能保持清晰和有效。

2022年，罗和他的同事利用平面多层（PML）光子结构制造了一种玻璃涂层。这些堆叠的超薄层具有独特的折射率，可以根据光的波长选择性地透射或反射光线。他们将二氧化硅、氧化铝和氧化钛堆叠在玻璃基底上，再在上面覆盖一层薄薄的硅聚合物（PDMS），以反射热辐射（即受热表面向各个方向发射的电磁辐射），从而产生了一种透明涂层，他们说这种涂层的性能优于市场上的其他减热涂层。

由于窗户通常是垂直安装的，一天中直射到窗户上的阳光会随着太阳的移动而变化。现有的窗户涂层往往针对以 90 度角进入的光线进行优化，因此它们阻挡光线的能力取决于所谓的太阳入射角。中午是一天中最热的时候，太阳光以斜角射入窗户，这意味着大多数涂层的阻挡效果较差。

节能窗示意图

研究人员使用了量子计算辅助机器学习模型。具体来说，他们使用了主动学习和量子退火，前者是机器学习的一个子集，其中学习算法可以交互式地询问用户以标注数据，后者则利用量子物理学来寻找最优或接近最优的元素组合。

量子辅助主动学习方法使研究人员能够优化 PML 结构的配置，它可以用来解决非常复杂的优化和设计问题，而这项工作中的复杂优化问题很难用传统算法来解决。为创建这种涂层而开发的主动学习和量子计算方案可用于设计具有复杂特性的各种材料。

最终研究人员制造出了一种透明涂层，可以在很大的入射角度范围内选择性地透射和反射光线。然后，他们对其进行了测试。镀膜窗户和普通玻璃窗户被垂直放置在相同的室外试验室中。研究人员测量了每个室的白天温度。他们还将玻璃窗水平放置，面向天空，模拟机动车的天窗进行测试。与普通玻璃相比，镀膜玻璃表现出更优越的性能，在各种入射角度下都能将温度降低 41.7 °F 至 45 °F（5.4 °C 7.2 °C）。

阳光与窗户之间的角度一直在变化，但无论太阳在天空中的位置如何，新的涂层都能保持功能性和效率。

为了估算使用光子结构作为窗户的制冷节能效果，研究人员使用 EnergyPlus 软件模拟了不同城市标准办公室的能耗。结果表明，美国所有城市每年可节约高达 97.5 兆焦耳/平方米。这种节能效果在世界各地的城市都得到了体现，包括热带气候地区的城市。

上图：地图显示美国使用窗户涂层后估计每年可节省的制冷能源。下图：全球 16 个选定城市的年制冷能耗估算。

研究人员预计，他们的新型窗户涂层将有多种用途，包括商业、住宅建筑和汽车。

研究人员认为新涂层对汽车车窗特别有用，它可以用作天窗/月窗玻璃。它甚至可以用于挡风玻璃。

研究人员仍需确定窗口涂层的可扩展性，他们认为随着扩大规模，新的图层可能会很便宜。这种涂层可以使用工业规模的涂层工艺制造。涂层中的材料都是非常普通的材料（没有外来材料）。