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慧正資訊，萊斯大學研究人員及其合作者開發出一種新型玻璃涂層，有助于降低能源費用，尤其是在寒冷季節，它能防止漏風窗戶散失熱量。這種材料是一種透明薄膜，通過將碳編織進氮化硼的原子晶格中制成，可形成一層薄而堅韌的涂層，能反射熱量、抗刮擦，還能抵御濕氣、紫外線和溫度變化。

阻止窗戶熱量流失

研究人員模擬了這種材料在紐約、北京和卡爾加里等冬季寒冷城市的實際大小建筑中的表現，結果顯示，與現有替代品相比，該材料可提高2.9%的節能效果。僅在美國，每年就安裝超過40億平方英尺的新窗戶，因此節能效果十分可觀。

根據發表在《先進材料》雜志上的一項研究，這種涂層的耐用性使其能夠涂覆在玻璃的外側，這是相較于傳統低輻射（低輻射率，簡稱低E）涂層的一大優勢。輻射率描述的是材料以熱能形式輻射熱量的能力；輻射率越低，通過玻璃散失的熱量就越少。傳統低E涂層容易受到濕度和溫度波動等環境因素的影響而降解，因此需要涂覆在窗戶的內側。

“雖然純氮化硼的輻射率與玻璃幾乎相似，但當你在其中加入少量碳時，輻射率會顯著降低——這完全改變了局面，”萊斯大學本杰明·M.和瑪麗·格林伍德·安德森工程學教授、材料科學與納米工程學教授Pulickel Ajayan說道。

為了制造這種涂層，研究團隊采用了脈沖激光沉積技術，即利用短而高能的激光脈沖轟擊固體氮化硼靶材，激發出等離子體羽流，羽流分散成蒸汽后沉積在基底上——在本例中，基底為玻璃。由于該過程在室溫下進行，因此避免了制造粘性涂層通常所需的高溫。

“從合成角度來看，在玻璃上涂覆氮化硼確實令人驚嘆且非常令人興奮，”該研究的主要作者、薄膜合成專家Abhijit Biswas說道。

拓寬氮化硼涂層的應用領域

Ajayan指出，除了玻璃之外，同樣的低溫氮化硼沉積技術還可應用于其他材料，包括聚合物、紡織品，甚至可能還有生物表面。此外，其他可擴展的技術，如卷對卷化學氣相沉積或濺射，通過適當的工藝優化，最終有望實現商業化生產。

“這極大地拓寬了氮化硼涂層的應用領域，”作為該研究的通訊作者，Ajayan說道。萊斯大學他的研究團隊多年來一直在研究氮化硼薄膜的生長，對該材料卓越的機械、熱和光學性能頗感興趣。

從原材料角度來看，氮化硼比大多數商用低輻射玻璃中使用的銀或氧化銦錫成本更低。不過，研究人員提醒，不應直接進行成本比較，因為這些材料在耐用性、加工方法和技術成熟度上存在差異。即便如此，研究團隊仍看好這種涂層的長期性能，尤其是在現有材料表現不佳的惡劣環境中。

為了評估這種涂層的光學透明度以及在建筑物中的節能潛力，萊斯大學的團隊與香港中文大學的龍毅Yi Long展開合作，龍毅是該研究的共同通訊作者，其團隊專注于智能窗技術用功能材料的研究。Yi Long強調，這種涂層在戶外環境中的耐用性是其與現有技術的關鍵區別。

“高耐候性使其成為首款可用于外側的低輻射窗戶涂層，其節能能力明顯優于內側的同類產品。在建筑密集的環境中，它可能是一個絕佳的解決方案，” Yi Long補充道。

合作者與貢獻者

Shancheng Wang也對這項研究做出了重要貢獻，尤其在節能方面。“這種碳摻雜涂層玻璃的透明度和良好的低輻射特性，使其成為北京、紐約等城市極具競爭力的節能選擇，” Shancheng Wang說。

除萊斯大學和香港中文大學外，該研究團隊還包括來自亞利桑那州立大學、康奈爾大學和多倫多大學的合作者。

這項研究得到了美國空軍科學研究辦公室（S004434-AFOSR）、美國空軍科學研究辦公室與克拉克森航空航天公司（FA9550-24-1-0004）、萊斯大學空間研究所、美國海芯堪旃遙∟00014-22-1-2357）、美國國家科學基金會（1650114、1626418、DMR150006）、美國陸軍研究實驗室、美國國防部高性能計算現代化計劃、美國能源部（DESC0021230）、加拿大自然科學與工程研究委員會、加拿大創新基金會、香港特別行政區政府、香港中文大學、2024年深港澳科技計劃（SGDX20230821094659005）以及創新科技基金（ITS/221/23）的支持。