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在炎熱的天氣里，家中高達 87% 的熱量是通過窗戶散發(fā)的。陽光中的紫外線很容易穿過玻璃，使房間升溫，從而增加了您需要打開空調(diào)的可能性，或者通過拉上窗簾或拉下百葉窗來放棄任何光線（同樣，也放棄了美景）。不過，圣母大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種窗戶涂層，可以阻擋產(chǎn)生熱量的紫外線和紅外線，同時允許可見光進入，從而降低室溫和制冷能耗。

透明涂層在減少產(chǎn)生熱量的紫外線和紅外線的同時，還能提供完整的視野

圣母大學 MÖNSTER 實驗室（分子/納米級傳輸和能源研究實驗室）負責人羅騰飛說："就像偏振太陽鏡一樣，我們的涂層可以降低入射光的強度，但與太陽鏡不同的是，我們的涂層即使在不同角度傾斜時也能保持清晰和有效。"

2022年，羅和他的同事利用平面多層（PML）光子結構制造了一種玻璃涂層。這些堆疊的超薄層具有獨特的折射率，可以根據(jù)光的波長選擇性地透射或反射光線。他們將二氧化硅、氧化鋁和氧化鈦堆疊在玻璃基底上，再在上面覆蓋一層薄薄的硅聚合物（PDMS），以反射熱輻射（即受熱表面向各個方向發(fā)射的電磁輻射），從而產(chǎn)生了一種透明涂層，他們說這種涂層的性能優(yōu)于市場上的其他減熱涂層。

研究人員決心改進他們之前的工作。由于窗戶通常是垂直安裝的，一天中直射到窗戶上的陽光會隨著太陽的移動而變化。現(xiàn)有的窗戶涂層往往針對以 90 度角進入的光線進行優(yōu)化，因此它們阻擋光線的能力取決于所謂的太陽入射角。中午是一天中最熱的時候，太陽光以斜角射入窗戶，這意味著大多數(shù)涂層的阻擋效果較差。

研究人員沒有采用試錯法來解決這個問題，而是使用了量子計算輔助機器學習模型。具體來說，他們使用了主動學習和量子退火，前者是機器學習的一個子集，其中學習算法可以交互式地詢問用戶以標注數(shù)據(jù)，后者則利用量子物理學來尋找最優(yōu)或接近最優(yōu)的元素組合。

量子輔助主動學習方法使研究人員能夠優(yōu)化 PML 結構的配置，并為他們帶來了絕對的優(yōu)勢，羅告訴《新圖集》。"它可以用來解決非常復雜的優(yōu)化和設計問題，"他說。"這項工作中的復雜優(yōu)化問題很難用傳統(tǒng)算法來解決。"

研究人員利用以前使用過的元件，制造出了一種透明涂層，可以在很大的入射角度范圍內(nèi)選擇性地透射和反射光線。然后，他們對其進行了測試。鍍膜窗戶和普通玻璃窗戶被垂直放置在相同的室外試驗室中。研究人員測量了每個室的白天溫度。他們還將玻璃窗水平放置，面向天空，模擬機動車的天窗進行測試。與普通玻璃相比，鍍膜玻璃表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能，在各種入射角度下都能將溫度降低 41.7 °F 至 45 °F（5.4 °C 7.2 °C）。

"陽光與窗戶之間的角度一直在變化，"羅說。"無論太陽在天空中的位置如何，我們的涂層都能保持功能性和效率。"

為了估算使用光子結構作為窗戶的制冷節(jié)能效果，研究人員使用 EnergyPlus 軟件模擬了不同城市標準辦公室的能耗。結果表明，美國所有城市每年可節(jié)約高達 97.5 兆焦耳/平方米。這種節(jié)能效果在世界各地的城市都得到了體現(xiàn)，包括熱帶氣候地區(qū)的城市。

上圖：地圖顯示美國使用窗戶涂層后估計每年可節(jié)省的制冷能源。下圖：全球 16 個選定城市的年制冷能耗估算。

研究人員預計，他們的新型窗戶涂層將有多種用途，包括商業(yè)、住宅建筑和汽車。

"我認為它對汽車車窗特別有用，"羅告訴《新地圖集》。"它可以用作天窗/月窗玻璃。它甚至可以用于擋風玻璃，你必須保持擋風玻璃的透明，但它會泄露大量的空間加熱紫外線和紅外（紅外線）陽光。"

研究人員仍需確定窗口涂層的可擴展性。"這還不得而知，"羅說。"我不能說它是否......更便宜，但隨著我們努力擴大規(guī)模，它們可能會很便宜。這種涂層可以使用工業(yè)規(guī)模的涂層工藝制造。涂層中的材料都是非常普通的材料（沒有外來材料）。"

這項研究發(fā)表在《細胞報告物理科學》雜志上。