出品：科普中國
製作：陳琳(中國科學院工程熱物理研究所)、陳勁濤（北京航空航天大學）
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
玻璃出現在我們人類社會已經有幾千年的歷史了，但在相當長的時間裡，玻璃其實是一種奢侈品，差不多和金銀珠寶是一個級別。比如《紅樓夢》中的賈蓉，就曾為了“炫富”找王熙鳳借一個玻璃炕屏，顯示自己是上流社會的人。二十世紀初，因為製作工藝的突破，玻璃才開始逐漸走入尋常百姓家。
玻璃最顯著的特質是具有強透光性，人們在屋子裡既可以享受陽光，也能看到外面的風景。
窗內的夜晚（圖片來源：veer相簿）
但是玻璃的這個特性，也存在弊端。
每到夏天，太陽光透過玻璃射到室內使房間的溫度升高；而到了冬天，熱量透過玻璃大量流失導致屋內溫度下降。
目前的研究表明，我國經由門窗玻璃損失的能耗，已經佔到了我們整個社會總能耗的約五分之一。這是一個非常令人吃驚的一個數字，也是我們很少注意到的。
那麼，玻璃是怎樣浪費能源的呢？
玻璃浪費能源的原因——熱輻射
根據熱力學基本原理，我們知道，熱量傳遞主要有三種形式：熱對流、熱傳導和熱輻射。
熱對流，是指氣體或液體因流動而使熱量傳遞的現象。比如說，有一扇窗戶，把它關上就可以阻擋室內外的空氣對流，從而減少能耗。
熱傳導，是指熱量會從溫度較高的地方傳到溫度較低的地方。從熱傳導的角度來看，要得到節能效果好的玻璃，我們可以把玻璃做厚一點，或把玻璃做成兩層，在兩層中間留個中空，甚至進一步，把中空區域抽成真空，也就是現在常見的雙層玻璃。
熱輻射，是指物體由於具有溫度而輻射電磁波的現象。從這個角度來看，情況就稍微複雜一些。
我們裝玻璃的目的，是希望能看到外面的世界。與此同時，房間會透過玻璃接收來自太陽的輻射以提高內部溫度，然而室內的加熱器又會透過玻璃向外輻射電磁波導致房間溫度降低。
那麼，真正好的節能玻璃是既會讓太陽輻射進來，又讓提高房間溫度的輻射不輕鬆地往外跑掉，把所有的輻射都控制住。而大量的熱輻射溢位，正是玻璃浪費能源的關鍵途徑。
熱量傳遞的三種形式（圖片來源：參考文獻3）
比如在冬季，室內熱量的來源主要是太陽輻射和加熱器輻射。
太陽輻射會透過玻璃進入室內，而室內溫度通常高於室外，再加上暖氣片、加熱器等各類取暖裝置會發射出室溫下的中遠紅外輻射，輻射打到玻璃上，使玻璃吸收輻射的熱量後升溫。隨後，玻璃又會把這部分能量交給室外的冰天雪地，由此造成大量的能量流失。
如果說，我們可以用一種方式，讓太陽輻射更多地進入並且取暖裝置輻射更少地流出。那麼，就可以大大地減少這類能源的消耗。
不同的輻射透過普通玻璃（圖片來源：參考文獻1）
如今，科學家們已經研發出一種新材料。把它塗到玻璃上之後，玻璃就擁有了調控陽光的能力，變成新型節能玻璃。
那麼，這種新型材料是什麼？它如何讓玻璃發揮節能作用？與傳統節能玻璃相比，又有什麼優勢呢？且聽我慢慢道來。
調控熱輻射的超材料研製成功
太陽熱輻射與室內熱輻射最大的區別，就在於它們處於不同的波段。因此，如果在玻璃上設定好波段的出入條件，我們就可以人為地調控它們的去留。
基於這樣的思路，中國科學院工程熱物理研究所的科研人員將高透明高分子材料與具有特定結構的奈米組分單元相結合，設計了一種對於輻射能夠進行調控的一種超材料（是指具有特殊性質的人造材料）。
把這種人造材料塗抹在普通的玻璃上，就可以把普通的玻璃變成新型節能玻璃。
太陽熱輻射與室內熱輻射所處的波段（圖片來源：參考文獻1）
在這種超材料中，高透明高分子材料可以讓可見光更好地透過，奈米單元則負責篩選輻射——遇到短波長的太陽輻射時，它會被啟用，並放行能量；而對於室溫物體所發射的長波長的熱輻射，則會形成一張“大網”，將其反射回去。
這種超材料與玻璃相結合，就可以讓玻璃在保持良好透光性的同時，選擇性透過熱輻射，進而達到冬季保溫、夏季阻熱的目的。
超材料吸收太陽熱輻射並阻礙室內熱輻射外溢（圖片來源：參考文獻1）
新型玻璃的節能效果到底如何？科研人員進行了一場實驗：兩個玻璃房模型，一個由普通玻璃製成，另一個由高效節能玻璃製成。兩個模型內的初始溫度都是21攝氏度，開啟模擬日光照射裝置讓它們同時接受陽光直射。
實驗結果顯示，一個小時過去後，普通玻璃房的溫度提升到27.3攝氏度，高效節能玻璃房的溫度升高到43攝氏度。
輻射調控玻璃房和普通玻璃房升溫對比試驗（圖片來源：參考文獻1）
兩個模型房的溫度相較於初始溫度，分別提高了6.3攝氏度和22攝氏度。也就是說，高效節能玻璃房比普通玻璃房多提高了15.7攝氏度。
輻射調控玻璃房和普通玻璃房試驗升溫結果（圖片來源：參考文獻1）
這表明，高效節能玻璃對太陽光熱輻射有著更好的透過率，同時對室內熱輻射的外溢也有著更好的阻攔效果。
試驗證明，高效節能玻璃可以幫助我們更好地利用太陽能，也能幫助我們更好地節約能源。
高效節能玻璃有哪些優勢？
對比現有的節能玻璃，新型節能玻璃的優勢主要有三點：
第一是高效性。使用新型節能玻璃，可以在保證室內節能的同時，儘量讓更多的太陽能照射進來，因此對室內的溫度控制有更好的效果。
調研顯示，現有的節能玻璃的可見光透過率相對較低，一般為30%～70%，但新型節能玻璃可達到85%以上，讓更多的光照進來。
第二個優勢是生產、運輸和使用過程中的便捷性。生產常規節能玻璃要在真空中蒸鍍各種鍍層，這個過程會產生較高的生產成本，運輸也不方便。另外，因為常規節能玻璃的裡面是真空的，更新替換需要整體更換。
而對於新型節能玻璃來說，不管是傳統玻璃，還是有一定節能效能的玻璃，只要已然成型，就不需要拆掉或再做其他的變動，只用塗上這種材料，或者貼上由該材料做成的貼膜就可以使用了。
第三個優勢是靈活性。這種超材料是一種柔性的材料，它可以應用於不同的場景。
舉個例子，在以前，如果想把低輻射玻璃應用在帳篷上，難度就比較大。因為低輻射玻璃需用雙層的、很厚的玻璃把裡面的功能層保護起來，缺少靈活性。而現在，我們可以透過這項新技術，將超材料做成貼膜，或者直接做成塗層噴在帳篷上。
雖然高效節能玻璃在實驗室中表現良好，但由於更廣泛的耐環境性測試，例如嚴寒地區、強鹽霧地區的測試還未開展，普適性還有待考證。
一項新科技研發在運用到生活中之前，需要完善嚴謹的科研實驗和探究分析。但這並不妨礙我們期待這項技術的應用未來，因為它本身的特性，就能給我們帶來無限的憧憬。
高效節能玻璃有哪些應用前景？
高效節能玻璃的靈活性讓科學家看到了眾多的應用前景。
例如，我們需要在農業大棚種植反季節蔬菜，可是有些地區因為整體緯度特別高，太陽的照射不充足，棚內溫度較低，種植效果不甚理想。
而如果將這種超材料塗抹在棚上，就能提升並維持棚內的溫度，相當於加強型的“塑膠大棚2.0”。
有些科學家甚至腦洞大開，想著將來人類若能在火星上種菜，或許可以使用這種超材料更好地利用太陽能。
蔬菜大棚（圖片來源：參考文獻4）
再比如，這種超材料還可以用於增強箱子的保溫性。將來，添加了超材料塗層的、具有更好保溫效果的透明箱子，也許會讓我們品嚐到更為可口的食物，也能助外賣小哥一臂之力。
高效節能玻璃還能提供更多技術想象。它的核心其實是選擇性透過光輻射。如果科學家能讓光選擇性透過，那麼，是不是也可以讓所有光範圍內的電磁波選擇性透過？
我們有時在室內手機訊號不是特別好，原因在於房子外基站的電磁波傳不到房子裡面來。如果能夠在目前的技術上進行更新升級，我們是不是就可以選擇性地得到想要的電磁波，排除其他雜波的干擾？甚至於，我們是否可以隔絕對人體有輻射的、有傷害的電磁波進入房間？
或許在不久的將來，科學家們能夠成功破題，帶領我們窺見真理一隅。
參考文獻：
1. 《透視新科技》 20210417 調控陽光的玻璃_CCTV節目官網-CCTV-10_央視網(cctv.com)
2. 玻璃窗外北京都市風光圖片素材_ID:VCG211129496296-VCG.COM
3. 熱傳導、熱對流、熱輻射的定義與區別_百度知道 (baidu.com)
4. 現代蔬菜大棚建造如何解決種植光照問題 (11467.com)
5. 送外賣這麼辛苦，為什麼還這麼多人搶著幹？_收入 (sohu.com)
