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蛾眼構造啟發的智能窗戶

本篇介紹仿生蛾眼啟發的新型智能窗戶,是以奈米結構結合熱致變色性塗層製造,具有抗水、自潔、節能和抗眩光等功能,特別適用於高層辦公大樓建築物,可大幅減少洗窗和維護保養費用
 
 
 
仿生蛾眼構造的新型智能窗戶首次以奈米結構結合「熱致變色性塗層」(thermochromic coating),具有超級抗水性,將可自潔(self-cleaning)、節約能源和抗眩光(anti-glare),特別適合用於高層辦公大樓建築物,將能大幅減少洗窗和維護保養的人力和水費等開銷,只需極低的維護保養。這款窗戶的原型玻璃由英國工程和自然科學研究委員會(Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC)補助英國倫敦大學學院(University College London, UCL)研究團隊十萬英磅(約四百萬台幣)開發,今(2016)年1月正式發佈。
仿生蛾眼的錐狀奈米突起高度約400奈米,直徑低於200奈米,製成玻璃的表面可讓空氣進入並確保只有極少量水會進入接觸,相較於普通玻璃上的雨水是附著在表面緩慢滑落、並沿途留下水痕,當雨水撃中使用「結構和振動光譜儀」(structural and vibrational spectroscopy)與電子顯微鏡技術製成的智能窗戶時,會在玻璃表面形成球狀水滴滾動,同時順道自潔撿拾泥土、灰塵和其他污染物。通常清洗摩天大樓窗戶的前五年花費相當於窗戶之原始安裝費用,具備自潔功能的智能窗戶可有效節省後續支出。

蛾類的複眼是由許多緊密排列的六角形小眼組成,這些小眼表面具有相當多排列整齊的錐狀奈米突起,奈米結構尺寸小於波長(400-700奈米),以分布於臺灣的紅天蛾(Deilephila elpenor,又名大象天蛾)為例,每一隻小眼表面的奈米突起高度和間距均為200-300奈米,屬於一種次波長結構,當光線進入時能夠分別聚集到小眼的感光細胞,形成清晰的圖像,因此夜行性的蛾類即使在非常微弱光線下也能看清楚。科學家所發現的「蛾眼效應」(moth eye effect)即指光波的折射率會在蛾眼表面以「漸變折射率」(graded index)呈連續性的變化,導致大部分的光都被吸收,只有極少被反射,故蛾眼不反光而呈黑色,即使在月光下覓食或活動也不易被天敵發現,能躲避被天敵捕食的風險,有利於生存。

研究團隊經試驗得知,常用於太陽能光電領域的二氧化釩(VO2)塗層用於建築物能降低炎熱和減少空調負載,因此使用「常壓化學氣相沈積法」(atmospheric-pressure chemical vapor deposition, APCVD),快速將二氧化釩/二氧化矽/二氧化鈦(VO2/SiO2/TiO2)沈積在玻璃基板上,塗佈成多功能的強效薄膜,與相同厚度的單層二氧化釩薄膜比較,更具優異的太陽調節性、高透明度與抗磨損性。由於二氧化鈦具有良好的光觸媒活性,經測試光降解(photodegradation)有機污染物硬脂酸(stearic acid)模型證實,相較於複合的強效薄膜與自潔玻璃商品,更具自潔功效。

由於二氧化矽的作用是一層阻障層,可阻擋正四價鈦離子(Ti4+)擴散到二氧化釩塗層,與單層二氧化釩薄膜比較,強效薄膜也具有促進光學性質及允許優越的「熱致變色性行為」(thermochromic behavior)。研究團隊因此模擬單一化合物在所有材質的特性,發現沈積二氧化矽/二氧化鈦複合層導致可見光的透射較單層同型物質約增加30%,同時加倍材質的太陽調節特性,效能甚至超越目前使用銀、金和其他金屬基底塗層所製成的節能窗戶。當此種智能玻璃表面只塗佈很薄一層約5-10奈米的二氧化釩薄膜時,寒冷期間可阻止熱輻射散逸、防止熱量損失,炎熱期間可防止太陽的紅外線輻射進入建築物,有效減少空調負載,達到節約能源功效。由於二氧化釩是一種便宜且普遍存在於65種不同礦物中的材料,依不同需求可與其他薄層結合及計算實際成本,新型智能窗戶將可降低達40%的暖氣開銷,並節約能源。

仿生原型玻璃還具有抗眩光功能,是類似蛾類為躲避天敵演化出的眼睛所具備的抗反射特性奈米結構設計,可以減低室內光反射量低於5%(其他二氧化釩塗層節能窗戶只達20-30%),提高舒適度。

目前該團隊已和英國製造商討論量產和商業化新型智能窗戶的可行性,歐洲研究委員會(European Research Council, ERC)也補助該團隊五年智能窗戶(IntelGlazing)計畫,研發更大尺寸並測試在實際戶外環境條件使用的情形,若能引起工商業界興趣,預計3-5年就能進入市場,未來還將開發出結合此奈米結構、可應用於傳統窗戶的自貼式智能薄膜。
(以上新聞編譯自2016年2月19日發行之Chemistry of Materials雜誌等)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
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