氧化钨亚纳米线突破光致变色材料加工瓶颈

光致变色材料在光学存储、智能窗等领域前景广阔，但传统过渡金属氧化物虽具稳定性和成本优势，却受限于加工性差的问题。亚纳米材料（至少一维尺寸小于1纳米）因表面原子比例超高，表现出独特的电子结构和类聚合物特性，为突破无机材料加工瓶颈提供了新思路。然而，如何利用亚纳米尺度优势同步提升光致变色性能与加工性，仍是亟待解决的挑战。

清华大学王训教授、北京理工大学张思敏教授通过溶剂热法成功合成直径仅0.8纳米、长度数微米的氧化钨亚纳米线（TOSNWs）。该材料兼具>95%的可见光透过率和15秒快速光致变色特性，变色后展现强近红外吸收能力。其类聚合物的流变性能支持旋涂、刮涂等简易加工工艺，为开发光触发透明热屏蔽涂层铺平道路。

材料特性揭秘

图1 展示了TOSNWs的精细结构：透射电镜（TEM）图像揭示其单分散独立线状形态（图1a,b），球差校正电镜测得0.38纳米晶格间距（图1c），原子力显微镜（AFM）直接证实0.8纳米直径（图1d）。这种尺度与氧化钨晶胞尺寸相当，赋予材料超高柔性——电镜中可见线体自由弯曲盘绕（图1a,b）。在非极性溶剂（如辛烷）中，线体自组装成束带结构（图1e,f），而元素图谱（图1g-j）证实其纯净的钨、氧组成。

图1. TOSNWs形貌表征 (a,b) 乙醇分散液中TOSNWs的TEM图像。插图：TOSNWs乙醇分散液实物图。 (c) 乙醇分散液中TOSNWs的球差校正STEM图像。 (d) AFM图像及对应高度曲线图。 (e) 辛烷分散液中TOSNWs的TEM图像。 (f) 辛烷分散液中TOSNWs的HAADF-STEM图像。 (g-j) EDX元素分布图谱结果（W, O元素）。 

类聚合物行为

图2 凸显了材料的类聚合物特性。随溶剂极性调节（乙醇/辛烷混合），TOSNWs实现从透明分散液到不透明凝胶的转变（图2a,b）：当辛烷体积比≤50%时，分散液透光率>90%（图2c）；辛烷比例增加促使线体组装成纳米带，通过物理缠结形成三维网络凝胶（图2d）。这种组装行为显著提升体系粘度——TOSNWs分散液粘度比直径10纳米的氧化钨线高数个量级（图2d）。研究进一步利用表面羟基设计交联凝胶（图2e）：添加二异氰酸酯后10分钟内即可形成自支撑透明凝胶（图2f），经超临界干燥制得的气凝胶密度仅0.031 g·cm⁻³，可承载蒲公英而不损伤（图2g）。

图2. TOSNWs溶剂响应行为与交联设计 (a,b) 不同乙醇/辛烷体积比的TOSNWs分散液状态（透光率与凝胶行为）。 (c) TOSNWs分散液透光率与溶剂组成关系（插图为实物图）。 (d) TOSNWs分散液粘度随辛烷体积比变化曲线。 (e) TOSNWs表面双分子层结构示意图及二异氰酸酯交联机制。 (f) 交联TOSNWs形成的自支撑透明凝胶实物图。 (g) TOSNWs气凝胶承载蒲公英的实物图（密度0.031 g·cm⁻³）。 

光致变色性能

图3 记录了材料卓越的光响应能力：TOSNWs乙醇分散液在100 mW·cm⁻²氙灯下15秒内由无色变为深蓝（图3a,b），其凝胶与气凝胶同样展现快速变色（图3c-f）。X射线光电子能谱（XPS）证实变色源于W⁵⁺形成（图3g,h），引发局域表面等离子共振效应，导致变色后材料在近红外区出现宽谱强吸收（图3i）。这种"体相变色"特性（图3k）得益于亚纳米尺度——所有WO₆八面体暴露于表面，显著提升变色效率（传统纳米颗粒仅表面反应）。

图3. TOSNWs光致变色性能 (a,b) TOSNWs乙醇分散液（5 mg·mL⁻¹）变色前后状态。 (c,d) TOSNWs凝胶（5 mg·mL⁻¹, V乙醇:V辛烷=1:1）变色前后状态。 (e,f) TOSNWs气凝胶变色前后状态。 (g,h) 初始态与变色态TOSNWs的XPS谱图（W 4f轨道）。 (i) 变色前后紫外-可见-近红外吸收光谱对比。 (j) 光照后不同时间点的吸收光谱变化（0-120分钟）。 (k) 亚纳米线（SNWs）与传统纳米颗粒光致变色机制对比示意图。 

智能窗应用验证

图4 演示了TOSNWs涂层的热屏蔽效能：旋涂于石英玻璃的透明涂层（0.2 mg·cm⁻²）初始透光率>90%，变色后仍保持>50%可见光透过（图4c,e）。在模拟日光照射下，涂层覆盖的玻璃温度5分钟内升高35℃，而裸玻璃温度不变（图4f），证实近红外光高效转化为局部热量。密闭箱体实验显示，涂层使箱内温升降低55%（13℃ vs 29℃）（图4g），显著阻隔热量传入。

图4. TOSNWs涂层热屏蔽性能验证 (a,b) 无涂层石英玻璃覆盖的自制装置实验起始/结束状态（标尺单位：厘米）。 (c,d) TOSNWs涂层石英玻璃覆盖装置实验状态（左下插图：涂层变色前后实物图）。 (e) TOSNWs涂层透光率光谱。 (f) 氙灯照射下（100 mW·cm⁻²）涂层/无涂层玻璃温度随时间变化曲线。 (g) 涂层/无涂层密闭箱体内温度随时间变化曲线。

前景展望

该研究通过亚纳米尺度设计，同步攻克了过渡金属氧化物光致变色材料的加工性与性能瓶颈。TOSNWs的类聚合物加工性、快速光响应及高效热屏蔽能力，为建筑/汽车智能窗提供了新材料解决方案。这种"光照即隔热"的特性有望显著降低制冷能耗，助力碳中和目标实现。