早在罗马时期，人们就已经会制造彩色玻璃器皿，中世纪的欧洲，人们也大量使用彩色玻璃用作教堂和家居建筑装饰。那时的他们可能并不知道，玻璃色彩的秘密在于制作过程中形成的金属纳米颗粒。现在人们发现，玻璃中这些等离激元纳米颗粒（plasmonic NPs）在被灯光或阳光照射时，会产生局域表面等离激元共振（LSPR）效应，除了让玻璃呈现更深的色彩，还有助于消除空气中的污染物。当今，除艺术或者装饰需求外，智能彩色玻璃在净化室内空气、维护人体健康方面仍有着重要的应用需求。

近日，韩国汉阳大学（Hanyang University）Eun Chul Cho教授研究团队在玻璃基底上预先涂覆刺激响应性胶体纳米层，进而沉积金（Au）纳米颗粒实现了智能彩色玻璃的制备。玻璃基底上胶体纳米层具有温敏性，能够基于环境温度实现表面Au纳米颗粒密度的智能调控；从而使玻璃呈现蓝色、紫色及蔓越莓色等不同颜色变化。进一步在玻璃底部引入单层光子晶体则能够实现玻璃呈现彩虹色彩以及玻璃颜色和透光率环境湿度可调控性。此外，在低功率室内照明条件下该智能彩色玻璃能够有效的去除室内甲醛。

智能彩色玻璃结构及性能展示。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究团队在玻璃基底沉积带正电荷的聚异丙烯酰胺基温敏性胶体颗粒（厚度20 nm）以及带负电荷的Au纳米颗粒（直径15 nm）。智能玻璃在30 °C、50 °C条件下，分别在592 nm、542 nm处呈现不同程度的透光度显著衰减。采用SEM对玻璃表面结构进行表征分析显示：环境温度变化（30 °C→50 °C）能够使得温敏性胶体颗粒尺寸降低（357 nm →273 nm）、胶体表面Au纳米颗粒覆盖率降低（80%→36%），从而使得智能玻璃显色和透明度产生温敏性变化。

不同温度下智能玻璃表面结构变化表征。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

进一步在玻璃基底和聚合物胶体层之间插入光子晶体单层（聚苯乙烯微球阵列），能够使智能玻璃窗的颜色变得绚丽多彩。聚苯乙烯微球具有均一的粒径，在玻璃基底上自组装致密排列形成光子晶体，表面分别沉积附着聚异丙烯酰胺胶体颗粒和Au纳米颗粒。

含光子晶体层智能玻璃结构表征。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

在该体系中，脱水的胶体层颗粒能够在空气湿度变化条件下产生可逆的溶胀/去溶胀；玻璃颜色在高湿度条件下迅速（＜70 s）从蓝色转变为蔓越莓色、玻璃在≥600 nm处的透光率增加了20%，湿度下降后玻璃颜色又逐渐恢复蓝色（约需280 s）。湿度变化引起的智能玻璃颜色变化具有良好的可逆性。

环境湿度驱动智能玻璃可逆颜色变化。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

基于智能玻璃体系中含具有催化作用的金属纳米颗粒，研究人员以甲醛为例展示了智能玻璃的空气净化性能。普通低功率（17.3 mWcm^-2）台灯的辐照1 h，测试甲醛浓度能够从7.99-8.32 mM 降低至1.56 mM。暗场对比实验显示，光氧化作用是甲醛转化去除的主要途径。该应用测试表明，这种智能彩色玻璃在室内灯光、阳光等可见光-近红外光源辅助下具有优异的空气污染物清除效果。

智能玻璃除甲醛性能测试。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

总结

Eun Chul Cho教授研究团队古为今用，仿照中世纪欧洲的彩色玻璃，通过在普通玻璃基底沉积聚合物颗粒及Au纳米颗粒，实现了多重刺激响应性智能彩色玻璃的简便构筑。该智能玻璃体系基于结构组成调控能够分别在环境温度或湿度变化诱导下实现不同颜色之间的可逆转变，且在低功率光照下呈现卓越的甲醛去除功效，在现代智能建筑领域具有广阔的应用前景。

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Hydrochromic Smart Windows to Remove Harmful Substances by Mimicking Medieval European Stained Glasses

Seung Beom Pyun, Ji Eun Song, Jung Yeon Kim, Eun Chul Cho*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 16937–16945, DOI: 10.1021/acsami.0c01719