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不用窗簾也可以降溫?用高分子材料打造的智能窗

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|林婷嫻、美術編輯|林洵安

三苯胺的應用

近年能源研究當道,但開源也別忘節流。例如,「三苯胺」高分子材料通電就會變色,可用來打造吸收光熱的智能窗,幫助室內降溫、節省冷氣使用,達到節能的目標。

本文專訪中研院化學所的顏宏儒助研究員,透過分子模型玩具,介紹含有「三苯胺」這種分子結構的高分子材料,以及通電變色的應用。
攝影│林洵安

先回到最初,為何會對「化學」有興趣?

你要聽官腔的回答,還是事實?國高中時,我對數學和化學都很有興趣,這兩科成績也比較好。當時班導師提醒我,高中和大學的數學是不一樣的,到了大學之後不見得會覺得有趣。

後來聯考沒有考好,最後分發的志願是暨南國際大學應用化學系,所以這條路也不算我自願的(害羞笑)。不過我本來就對化學很有興趣,那時候,我的夢想是像電影裡的瘋狂科學家,抱著對科學的熱忱,投入純粹的研究。

化學實驗沒做出來很痛苦,有做出來就有成就感,做得不錯就會越來越喜歡。

高三時,我覺得教科書裡提到的高分子(Macromolecule)很有趣,但當時已接近暑假的指考,沒機會學到太多。後來在暨南國際大學加入劉貴生教授的實驗室,這是專門研究高分子的實驗室,從那時候開始接觸偏向產業應用的高分子材料。

高分子研究,有哪些產業應用方向?

之前我在美國能源部的洛斯阿拉莫斯國家實驗室時,這個單位主要是依靠基金生存,但要拿到基金非常非常競爭,每個研究都需要跟時代潮流相關、走在產業方向的前端。

那時候我們挑了鋰電池來做,因為它跟能源應用的「儲能」相關,所以我現在的實驗室也研究如何用石墨烯 (Graphene))打造鋰電池的陽極。

能源相關的研究,還有另一個分支是「節能」。

在這方面,我們實驗室研究的是一個很有趣的高分子,一種含有三苯胺的高分子材料,其化學式為 (C6H5)3N。這種高分子可以變成很薄的薄膜,柔軟、可透光、只有奈米厚度,通電還能變色,這是很酷的事情,可以應用於建築的窗戶。

三苯胺高分子,為何通電後會變色?

(拿出下圖的分子玩具示範)三苯胺原本的結構,有點像直升機的螺旋槳;但通電後,結構會平面化,連帶改變三苯胺高分子的吸收光譜,並吸收部分可見光,因此從透明變成有顏色。

三苯胺結構(C6H5)3N,通電後的變化。
模型示意│顏宏儒 圖說設計│林婷嫻、林洵安

至於不同的三苯胺高分子,通電後會看到什麼顏色,是經過實驗累積得知的,目前已知的實驗結果可參考下圖的調色盤。

各種三苯胺高分子,與通電後對應的顏色。
資料來源│顏宏儒

三苯胺高分子通電會變色,和節能有什麼關係?

因為含有三苯胺的高分子材料,厚度只有奈米等級,沒通電是透明的,我們就可以把它塗層在建築的窗戶上。

大熱天或西曬的時候,陽光會帶來光和熱,我們就能讓窗戶通電變色,透過變色後的三苯胺高分子塗層可隔絕光線和熱能,這樣室內冷氣就不用開那麼強。另外,不同顏色的智能窗,視覺上也是很繽紛的建築材料,就不一定要裝窗簾。

深色部分為通電變色的窗戶,也可以隨著喜好或隱私需求,切換變色的區塊。
資料來源│顏宏儒

目前常見的三苯胺高分子材料應用,是汽車的防眩後視鏡。當駕駛員看到後面的車子開大燈,在後視鏡按個鈕,就可以將鏡子通電,讓後照鏡的塗層顏色變深一點來防眩。另外,波音 787 客機也配備類似的通電變色智能窗。

但為什麼三苯胺高分子材料製作的智能窗,現在一般建築不太常看到呢?因為製備成本太高了。不過這種材料很有趣,是我從大學一直做到博士班的題目,來到中研院仍然繼續研究它,未來還有很多應用潛能值得去嘗試。

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為太陽西曬,在室內也中暑?這招打造智能窗降溫,泛科學為宣傳推廣執行單位

關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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