高性能热致变色、减反增透和自清洁多功能涂层制备成功

二氧化钒（VO2）是一种具有热致相变特性的过渡金属氧化物，在68℃附近可发生由金属态到半导体态的可逆相变，同时伴随着光学、电学等性质的突变，因而在智能窗、激光防护膜、信息存储、温度传感器以及光转换器件等诸多领域存在应用价值。近年来，节能技术受到越来越多的关注，因而VO2薄膜作为一种无需消耗其它能量，仅根据温度变化就可控制太阳光透过率的智能窗镀膜材料，成为领域内的研究热点。从实际应用角度讲，智能窗用VO2薄膜还存在一系列问题，主要有薄膜可见光透过率较低、太阳能调节率不理想、本征的棕黄色在实际使用过程中视觉效果较差等。

针对VO2热致变色薄膜存在的问题，中国科学院理化技术研究所微纳材料与技术研究中心设计并制备了一种可高效精准控制合成的SiO2/TiO2/VO2三层空心纳米球（TLHNs）和基于TLHNs的多功能涂层。其中内层氧化硅具有良好的减反性能，中层的氧化钛具有光催化自清洁的性能，最外层的氧化钒具有良好的热致变色效果。TLHNs涂层的低温积分透光率为74%，太阳能调控效率为12%，在同类型多功能薄膜中为性能最优。此外，研究人员还提出了一种巧妙的计算模型，可以快速获得复杂纳米粒子组装涂层的有效折射率(neff)。计算和实验结果表明，相较致密平整的VO2涂层，该工作提出的三层空心结构能够显著降低涂层在可见光区域的折射率（600 nm处由2.25降低至1.33）和反射率（平均反射率由22.3％降低至5.3％）。

这项工作为制备同时具有减反增透、自清洁和热致变色三功能的复合涂层提供了新思路。相关研究成果以Three‐Layered Hollow Nanospheres Based Coatings with Ultrahigh‐Performance of Energy‐Saving, Antireflection, and Self‐Cleaning for Smart Windows为题发表于近期出版的Small杂志（DOI: 10.1002/smll.201801661）。理化所研究员贺军辉是该论文的通讯作者，助理研究员姚琳是该论文的第一作者。

相关研究工作得到国家自然科学基金（21571182）、国家重点研发计划（2017YFA0207102）、中科院青年创新促进会（2016023）和理化所所长基金（2017-YL）的大力支持。

(a) VO2和SiO2/TiO2/VO2TLNHs涂层的高低温透光率曲线，(b)/(c) TLNHs涂层的节能效果测试图

波长转换技术！“离子液体”改变激光颜色

激光作为光源可以产生各种波长的光束，根据波长的不同可以应用于不同的场景。

激光扫描

激光切割

激光肿瘤治疗

可控核聚变

等各行各业……

但并非每种颜色的光都具有适合特定工作场景的属性，因此，美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的研究人员成功设计了一种高效便捷且可高度定制的波长转换技术 。

图:充满特定离子液体的管(右)发射绿色激光，通过操作产生橙色激光。

这种新技术依赖于激光与一种称为“离子液体”的材料的化学键中振动能的相互作用，这种离子液体在室温下能够像流体一样流动，将激光照射到充满离子液体的管中，就可以在降低激光能量、改变颜色的同时保留激光束的其他重要特性。

该技术最初的想法来源于布鲁克海文实验室加速器测试设施 （ATF）的一个项目，旨在提高独特的高功率二氧化碳激光器 的能力。

离子液体具有光学透明 的性质，可以轻易避免背景光的吸收。很多介质存在强散射效应，光束在介质内传播一定距离后，其方向将完全随机，这几乎扼杀了直接光学成像的可能性。具有“光学透明”性质的介质使得光子能够在介质内部按照预先设定的路径进行传播。

如何光学透明化？对散射光场进行光场调控，即波前整形法：通过给光场调控器件设定调控信号，对入射光场的波前信息进行高自由度调控，改变入射光场的波前，从而精确地规划光子在散射介质中的传播路径，继而赋予介质“光学透明化”的属性。

离子液体自身具有光学透明的性质，可以轻易避免背景光的吸收，其较高的粘度避免了声波的激光散射，从而与水等低粘度液体中的变色效应竞争并减弱了变色效应。

目前有很多较为复杂的拉曼转移的方法，但是我们只需要正确选择离子液体，从一端射入激光就可以得到想要的颜色。总体来说，离子液体的可定制性使其可以作为一个平台，为许多工业和技术项目提供高效便捷的激光波长转换。

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