相信嗎?一幢建筑中，窗戶(hù)不再僅僅用來(lái)采光通風(fēng)，還可阻隔紫外線(xiàn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度——太陽(yáng)猛了把紅外線(xiàn)反射回去，溫度低了撤開(kāi)屏障保溫增溫。最新消息傳來(lái)，上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高彥峰教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，又給它增加了一個(gè)新功能，高效太陽(yáng)能發(fā)電。這一研究如應(yīng)用在上海中心上，可以承擔(dān)起5400戶(hù)人家的日常用電。

近日，相關(guān)研究論文發(fā)表于歐洲權(quán)威期刊《先進(jìn)光學(xué)材料》上，目前，項(xiàng)目組正在尋找將其進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的企業(yè)合作伙伴。高教授笑言，這已是他家“聰明窗戶(hù)”的第三次“招親”。

三代窗戶(hù)，越來(lái)越“聰明”

“別看它只是一塊不起眼的玻璃，對(duì)于節(jié)能減排可謂意義重大。要知道，我國(guó)一半的建筑能耗都從窗戶(hù)悄悄‘溜’走了。”材料領(lǐng)域國(guó)家973項(xiàng)目首席科學(xué)家羅宏杰曾這樣說(shuō)。

近年來(lái)，我國(guó)建筑總面積大幅增長(zhǎng)的同時(shí)，建筑能耗總量也逐年上升?！?013—2017年中國(guó)智能建筑行業(yè)市場(chǎng)前景與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，其在能源總消費(fèi)量中所占的比例已從上世紀(jì)七十年代末的10%，上升到27.45%，建筑用能對(duì)全國(guó)溫室氣體排放的“貢獻(xiàn)率”達(dá)25%。而研發(fā)一扇更加節(jié)能甚至產(chǎn)能的窗戶(hù)，不僅是我國(guó)建筑綠色創(chuàng)新的重要一環(huán)，對(duì)中國(guó)節(jié)能減排目標(biāo)，也有不小的意義。

從2008年到2016年，高彥峰的“聰明窗戶(hù)”歷經(jīng)三代研發(fā)。2009年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，造出當(dāng)時(shí)世界上面積最大的(30厘米×40厘米)的二氧化釩鍍膜玻璃。這塊冷暖自知的玻璃受控于一個(gè)由二氧化釩制成的溫控“開(kāi)關(guān)”。作為一種典型的相變材料，構(gòu)成二氧化釩的內(nèi)部晶體能根據(jù)外界溫度的變化，夏天呈現(xiàn)金屬態(tài)，將陽(yáng)光中一半以上的紅外線(xiàn)(熱量的主要來(lái)源)阻隔在外;冬天變成半導(dǎo)體，讓溫暖的陽(yáng)光盡情照射進(jìn)來(lái)。不可思議的是，撥動(dòng)“開(kāi)關(guān)”的臨界溫度可以人為設(shè)定。這樣一來(lái)，研究人員就可根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件，設(shè)計(jì)出真正人性化的智能玻璃。

2013年，在這一可調(diào)溫鍍膜的基礎(chǔ)上，研究小組嘗試讓窗戶(hù)學(xué)會(huì)發(fā)電。據(jù)了解，“發(fā)電窗戶(hù)”的設(shè)想早已有之，可現(xiàn)有技術(shù)條件下以硅為原料的光伏設(shè)備難以做到透明，一旦植入窗戶(hù)，勢(shì)必影響采光。發(fā)電、透亮如何并存?國(guó)外一些研究者嘗試在窗玻璃的上1/5到1/3處加載光伏電池，希望兩者兼得。對(duì)此，上大材料學(xué)院的課題小組提出新思路，如果將高效太陽(yáng)能電池板做成包圍玻璃四周的“窗框”，然后通過(guò)特殊技術(shù)令一部分光變向射向窗框，是否就能打破兩難?他們將分散于高分子基體中顆粒物二氧化釩做成玻璃窗鍍膜，并采用數(shù)值模擬的方法精確設(shè)計(jì)顆粒的尺寸及其在聚合物基體中的分散狀態(tài)，確保入射的太陽(yáng)光可以到達(dá)位于四周的太陽(yáng)能電池而發(fā)電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若將該技術(shù)應(yīng)用于5平方米的玻璃窗，當(dāng)前最高發(fā)電功率約34瓦，足以支撐一盞電燈照明。

找伙伴，最青睞“嚇不走的”

如今，最新的“聰明窗戶(hù)”更進(jìn)一步。上海大學(xué)與德國(guó)埃爾朗根—紐倫堡大學(xué)C·J布拉比教授的課題組合作，將有機(jī)高分子制成的光伏電池與二氧化硅鍍膜技術(shù)疊加，入射光從散射，變成垂直射入，不僅擴(kuò)大了太陽(yáng)光射入面積，也同時(shí)解決透光與發(fā)電效率問(wèn)題。據(jù)測(cè)算，10平方米幕墻的峰值發(fā)電可達(dá)390瓦。如果把上海中心的14萬(wàn)平方米外立面幕墻全部采用這一“貼膜”技術(shù)，按每天發(fā)電5小時(shí)、充放電損耗30%來(lái)計(jì)算，每天的發(fā)電量可滿(mǎn)足5400個(gè)家庭的日用電需求。

值得一提的是，研究小組已經(jīng)研發(fā)出制備工藝，令有機(jī)太陽(yáng)能電池和二氧化釩可通過(guò)雙層印刷制成貼膜，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。高彥峰介紹，除了窗戶(hù)外，路燈、公共汽車(chē)站的候車(chē)牌上都能使用該技術(shù)。

限于實(shí)驗(yàn)室資金和設(shè)備條件，目前能制備出的“小樣”才2厘米見(jiàn)方。“企業(yè)比我們更了解市場(chǎng)需要什么，如何改進(jìn)大批量制作工藝，因此，我們迫切需要企業(yè)合作伙伴，完成更大范圍內(nèi)使用的性能測(cè)試，串起產(chǎn)學(xué)研鏈的關(guān)鍵一環(huán)。”高彥峰說(shuō)。據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)正通過(guò)學(xué)?？萍继幇l(fā)布信息，另一方面也在等待企業(yè)上門(mén)。

剛剛結(jié)束的巴黎氣候大會(huì)，中國(guó)承諾在2030年之前碳排放達(dá)到峰值，單位GDP碳排放相比2005年下降60%—65%。與之相伴隨的，是我國(guó)建筑智能化系統(tǒng)工程行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模可預(yù)期的急速增長(zhǎng)，節(jié)能產(chǎn)能一體窗戶(hù)并不“愁嫁”。高彥峰說(shuō)，“我們更青睞‘找上門(mén)的’和‘嚇不走’的。”這是在上兩代“聰明窗戶(hù)”產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化過(guò)程中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)。

以第一代的二氧化釩鍍膜玻璃研究成果為例。2009年，課題組在一次科技論壇上現(xiàn)場(chǎng)展示，頭頂同一個(gè)“人造太陽(yáng)”，實(shí)驗(yàn)組和比照組兩間小屋比鄰而建，一個(gè)燥熱，一個(gè)涼爽，室內(nèi)溫差高達(dá)8℃。這一消息震動(dòng)業(yè)內(nèi)，也引來(lái)了廣東佛山塑料集團(tuán)工程研發(fā)中心副經(jīng)理蔡朝暉的登門(mén)取經(jīng)。雙方一拍即合，在廣東省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目基金的支持下，投入達(dá)1000萬(wàn)元的中間階段試驗(yàn)2012年完成，去年正式投產(chǎn)。如今，讓高彥峰特別自豪的是，就連國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部大樓的窗戶(hù)都貼上了這種產(chǎn)品。

有了成功的商業(yè)合作先例，2013年，第二代窗戶(hù)成果在《自然·科學(xué)報(bào)道》見(jiàn)報(bào)后，來(lái)找課題組談合作的企業(yè)近10家。每次有人來(lái)談，高教授就開(kāi)始“嚇唬人”，把合作開(kāi)發(fā)可能失敗的各種因素、結(jié)果一一分析。結(jié)果，其他人都嚇跑了，“嚇不走”的是一家來(lái)自美國(guó)硅谷的企業(yè)，今年3月，對(duì)方要專(zhuān)門(mén)來(lái)洽談深入合作。

記者手記

如何跨越“死亡之谷”?

談及產(chǎn)學(xué)研發(fā)展瓶頸，我們常說(shuō)要改變“兩張皮”。其實(shí)，科技成果商業(yè)化一直是全球性的難題，被日本科學(xué)家稱(chēng)之為“死亡之谷”——尤其在高新技術(shù)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域，失敗率高達(dá)90%。

在鼓勵(lì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的當(dāng)下，跨越這“死亡之谷”，我們似乎過(guò)于強(qiáng)調(diào)政府扶植、科研院所盡力，而如何真正激發(fā)企業(yè)自身創(chuàng)新活力，才是關(guān)鍵。

聰明窗戶(hù)“招親”的兩大原則，或許正在還原對(duì)企業(yè)在創(chuàng)新體系中主體地位的基本要求——企業(yè)從自身發(fā)展目標(biāo)及生產(chǎn)研發(fā)能力，主動(dòng)對(duì)接科研院所新成果，才能通向跨越死亡之谷的坦途。