本研究聚焦于一种新型的异常热致变色聚二甲基硅氧烷（
PDMS
）纳米复合材料，其通过在
PDMS
基体中组装经修饰的二氧化硅纳米颗粒而制得。这种复合材料在初始状态下无色，当温度升至
60℃
以上时，会逐渐变为蓝色或青色，且在冷却至室温后，颜色可维持至少八小时，展现出与传统热致变色材料截然不同的特性。研究发现，该复合材料的颜色变化并非由化学成分的改变引起，而是与材料内部的物理结构密切相关。具体而言，材料中存在约
9.69% v/v
的空隙，这些空隙在加热和冷却过程中会吸收和释放水分，从而导致颜色的变化。在高温下，材料的颜色由气孔的瑞利散射和二氧化硅纳米颗粒的多重散射共同作用产生。冷却至室温后，由于水分的吸收，材料的折射率对比度降低，破坏了二氧化硅纳米颗粒的短程有序排列，使得颜色逐渐消失。这一独特的热致变色机制为开发新型智能窗材料、温度历史追踪器和湿度传感器等应用提供了新的思路，具有重要的科研价值和广阔的应用前景。
热致变色材料作为一种能够随温度变化而改变颜色的智能材料，在众多领域都有着广泛的应用，如热致变色纺织品、智能窗、温度监测器等。传统热致变色材料主要依赖于化学成分的改变来实现颜色变化，如
leuko
染料、螺吡喃和二氧化钒等。这些材料在特定温度下会发生化学或相结构的变化，从而改变对光的吸收，实现颜色的转变。然而，这类材料往往存在一些局限性，例如颜色变化的温度范围较窄、响应速度较快等，限制了其在某些特定应用场景下的使用。
近年来，基于结构色的热致变色材料逐渐受到关注。这类材料的颜色源于光的建设性散射，由周期性或非周期性的纳米结构所产生，其颜色主要取决于材料的折射率和晶格间距。通过调节温度来改变纳米颗粒与基体之间的折射率对比，或者通过温度诱导聚合物基体的体积变化来调节光子晶格间距，从而实现颜色的变化。例如，利用聚（乙二醇）二丙烯酸酯（
PEGDA
）和
PDMS
等聚合物，其折射率随温度升高而降低，可增加折射率对比，实现颜色变化。此外，通过填充熔融聚合物来降低折射率对比，也可实现热致变色。然而，尽管已有多种热致变色材料被开发出来，但能够在较宽温度范围内实现可逆颜色变化且具有延迟变色特性的材料仍较为罕见。
在实际应用中，除了颜色变化的范围和响应速度外，热致变色材料的可重复使用性、稳定性和环境适应性等也是重要的考量因素。例如，在智能窗应用中，希望材料能够在不同的温度和湿度条件下稳定工作，并且具有较长的使用寿命。因此，开发新型的热致变色材料，探索其独特的颜色变化机制，对于拓展热致变色技术的应用领域具有重要意义。本研究正是基于这样的背景，旨在构建一种具有异常热致变色特性的 PDMS 纳米复合材料，为热致变色材料的研究和应用提供新的方向。
本研究采用了一种简便且有效的方法来制备异常热致变色的
PDMS
纳米复合材料，即通过在
PDMS
基体中组装经修饰的二氧化硅纳米颗粒。首先，利用
Stöber
方法合成单分散的二氧化硅纳米球，然后通过硅烷偶联剂对其进行疏水改性，以提高其在
PDMS
基体中的分散性。接着，将改性后的二氧化硅纳米颗粒分散在
PDMS
前驱体溶液中，经过溶剂蒸发和热固化，最终得到均匀且透明的纳米复合材料薄膜。
在实验过程中，研究人员还制备了以商业热致变色颜料为基础的PDMS薄膜（TMP 薄膜），作为对比样品，以探究二氧化硅纳米颗粒对热致变色行为的影响。此外，为了深入理解材料的颜色变化机制，研究人员还测量了纯 PDMS 和二氧化硅-PDMS 复合材料在不同温度下的折射率，以及进行了水吸收和变色实验，以探究湿度对颜色变化的影响。通过这些研究方法，研究人员能够全面地分析和解释材料的热致变色特性，为其潜在应用提供理论依据。
本研究的实验设计涵盖了多个方面，旨在全面探究二氧化硅
-PDMS
纳米复合材料的热致变色特性。首先，通过改变二氧化硅纳米颗粒的尺寸和体积分数，研究其对材料颜色变化的影响。实验中，合成了不同尺寸的二氧化硅纳米颗粒，并将其以不同的体积分数分散在
PDMS
基体中，制备出一系列具有不同结构参数的纳米复合材料薄膜。然后，对这些薄膜进行加热和冷却实验，观察其颜色变化情况，并通过反射光谱测量来定量分析颜色的变化。
其次，设计了加热和冷却循环实验，以研究材料的可重复使用性和稳定性。在这一实验中，将样品从室温加热至
100℃
，然后冷却回室温，重复多次，记录每个循环中材料的颜色变化和反射光谱。此外，还通过控制环境湿度，研究了湿度对材料颜色变化的影响。实验中，使用不同相对湿度的饱和盐溶液环境，观察材料在不同湿度条件下的颜色变化速率和程度。
最后，为了验证材料在实际应用中的潜力，还进行了智能窗应用演示实验。将二氧化硅-PDMS 纳米复合材料薄膜与透明加热器和玻璃组合，模拟智能窗的工作过程，观察其在加热和冷却过程中的颜色和透光率变化。通过这些精心设计的实验，研究人员能够全面地评估材料的热致变色性能，并为其在不同应用场景下的可行性提供有力的证据。
（一）颜色变化特性
实验结果表明，二氧化硅
-PDMS
纳米复合材料薄膜在加热过程中表现出明显的颜色变化。当温度升至
60℃
以上时，薄膜从无色透明逐渐变为蓝色，且在
80℃
下加热
10-20
分钟后，颜色变化更为显著。冷却至室温（
20-25℃
）后，薄膜的颜色并非立即消失，而是可维持至少
6-8
小时，最长可达
8
小时以上。这一延迟变色特性与传统的热致变色材料有显著差异，为材料在特定应用中的使用提供了可能。此外，通过多次加热和冷却循环实验发现，该纳米复合材料薄膜的颜色变化具有良好的可重复性，即使经过
10
个循环，其颜色变化和反射光谱仍保持一致，这主要归因于
PDMS
基体的化学惰性和老化抗性，以及基于结构色的热致变色机制，不涉及不可逆的化学反应或结构变化。
（二）颜色变化机制
进一步的研究揭示了材料颜色变化的机制。首先，通过测量不同温度下纯
PDMS
和二氧化硅
-PDMS
复合材料的折射率，发现
PDMS
的折射率随温度升高而降低，而二氧化硅纳米颗粒的折射率保持不变。这导致了二氧化硅纳米颗粒与
PDMS
基体之间的折射率差异随温度变化而变化，从而影响光的散射行为。在高温下，较大的折射率差异增强了光的散射，使得材料呈现出蓝色。其次，通过水吸收实验发现，材料在冷却过程中会逐渐吸收水分，填充材料内部的空隙，降低折射率对比度，并破坏二氧化硅纳米颗粒的短程有序排列，导致颜色逐渐消失。此外，通过光学模型计算，证实了材料的颜色是由气孔的瑞利散射和二氧化硅纳米颗粒的多重散射共同作用产生的。这些结果表明，材料的颜色变化是一个复杂的物理过程，涉及温度诱导的折射率变化和水分吸收
/
解吸行为。
（三）影响因素
实验还探讨了多种因素对材料热致变色特性的影响。首先，二氧化硅纳米颗粒的尺寸对材料的颜色有显著影响。随着颗粒尺寸的增加，反射光谱的峰值发生红移，颜色从蓝色逐渐变为绿色。然而，颗粒的体积分数在
35%-45%
范围内变化时，对颜色变化的影响较小。其次，环境湿度对材料的颜色变化速率有重要影响。在较低的相对湿度下，材料的颜色消失速率明显减慢，甚至在干燥环境中可维持颜色超过
24
小时。而在高湿度环境下，颜色消失速率加快。此外，
PDMS
基体的交联密度也对材料的水吸收速率和颜色变化有一定影响。较高的交联密度可略微限制水分吸收，从而延缓颜色消失。这些结果为调控材料的热致变色性能提供了理论依据，使其能够更好地适应不同的应用需求。
（四）应用潜力
基于材料的独特热致变色特性，研究人员展示了其在智能窗、温度历史追踪和湿度传感等领域的应用潜力。在智能窗应用中，通过加热和冷却可实现材料颜色和透光率的可逆变化，从而调节室内外的光照和热量传递。实验中，加热后的薄膜可从无色透明变为蓝色，并在冷却后保持较长时间的不透明状态，无需额外能量输入，这对于节能建筑具有重要意义。在温度历史追踪方面，通过在材料上加热形成特定图案，图案可在一定时间内保持，从而记录温度变化的历史信息。此外，由于材料的颜色变化对湿度敏感，还可用于湿度传感，通过观察颜色变化来监测环境湿度。这些应用演示为材料的实际应用提供了新的思路，展示了其在智能材料领域的广阔前景。
本研究成功开发了一种基于结构色的异常热致变色
PDMS
纳米复合材料，通过在
PDMS
基体中组装经修饰的二氧化硅纳米颗粒，实现了在较宽温度范围内可逆的颜色变化，并且具有延迟变色特性。材料的颜色变化机制涉及温度诱导的折射率变化和水分吸收
/
解吸行为，这一独特的机制使其在智能窗、温度历史追踪和湿度传感等领域展现出巨大的应用潜力。与传统的热致变色材料相比，该纳米复合材料具有良好的可重复使用性、稳定性和环境适应性，为热致变色材料的设计和应用提供了新的思路。未来的研究可进一步探索材料的性能优化和实际应用开发，以推动热致变色技术在更多领域的应用。
图
1
、二氧化硅
-PDMS
薄膜的制备示意图以及在不同温度下的颜色变化照片和角分辨反射光谱；
图
2
、二氧化硅
-PDMS
薄膜和
TMP
薄膜在不同温度下的平衡反射光谱和显微镜图像，以及在加热和冷却循环过程中的显微镜图像和颜色差异；
图
3
、不同粒径和体积分数的二氧化硅纳米颗粒对二氧化硅
-PDMS
薄膜颜色变化的影响，以及在不同湿度水平下薄膜的颜色变化和水吸收百分比；
图
4
、纯
PDMS
和二氧化硅
-PDMS
薄膜在加热和冷却循环过程中的折射率变化，颜色变化机制示意图，以及基于瑞利散射和多重散射模型的计算反射光谱与测量光谱的比较，薄膜的透射光谱和发光透射率；
图5、二氧化硅-PDMS 纳米复合材料在智能窗应用中的示意图和照片，以及在加热和冷却过程中形成图案的示意图和照片。
Yujie Peng, Peipei Shao, Ye Yuan, Jingru Mou, Rui-tao Wen, Hong Chen, Ming Xiao*
**Ming Xiao**, State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering, Sichuan University, Chengdu, 610065, P.R. China.
