Когда стекло переключается с прозрачного на темное или наоборот, новая система практически не требует энергии для поддержания своего нового состояния; в отличие от других материалов, ему нужно электричество только тогда, когда пришло время снова переключиться.Результаты опубликованы на этой неделе в онлайн-журнале Chem в статье профессора химии Массачусетского технологического института Мирчи Динка, докторанта Халида Аль-Кааби и бывшего постдока Кейси Уэйд, ныне доцент Университета Брандейса.В новом открытии используются электрохромные материалы, которые меняют свой цвет и прозрачность в ответ на приложенное напряжение, объясняет Динка.
Они сильно отличаются от фотохромных материалов, таких как те, что используются в некоторых очках, которые темнеют, когда свет становится ярче. Такие материалы, как правило, имеют гораздо более медленное время отклика и меньшее изменение уровня непрозрачности.Существующие электрохромные материалы страдают аналогичными ограничениями и нашли лишь нишевое применение. Например, у самолетов Boeing 787 есть электрохромные окна, которые затемняются, чтобы не пропускать яркий солнечный свет через салон.
По словам Динка, окна можно затемнить, включив напряжение, но «когда вы щелкаете выключателем, на самом деле требуется несколько минут, чтобы окно потемнело. Очевидно, вы хотите, чтобы это было быстрее».
Причина такой медленности в том, что изменения в материале зависят от движения электронов — электрического тока, который дает всему окну отрицательный заряд. Затем положительные ионы проходят через материал, чтобы восстановить электрический баланс, создавая эффект изменения цвета. Но в то время как электроны быстро проходят через материалы, ионы движутся намного медленнее, что ограничивает общую скорость реакции.Команда Массачусетского технологического института преодолела это с помощью губчатых материалов, называемых металлоорганическими каркасами (MOF), которые могут проводить как электроны, так и ионы с очень высокой скоростью.
Такие материалы использовались около 20 лет из-за их способности удерживать газы в своей структуре, но команда Массачусетского технологического института была первой, кто использовал их из-за их электрических и оптических свойств.Другая проблема с существующими версиями самозатененных материалов, по словам Динки, заключается в том, что «трудно получить материал, который меняется с полностью прозрачного на, скажем, полностью черный».
Даже окна в 787 могут измениться только на темный оттенок зеленого, а не стать непрозрачными.В предыдущем исследовании MOF Динка и его ученики создали материал, который может превращаться от прозрачного до оттенков синего или зеленого, но в этой недавно опубликованной работе они достигли долгожданной цели создания покрытия, которое может полностью от от идеально чистого до почти черного (достигается смешиванием двух дополнительных цветов, зеленого и красного). Новый материал состоит из двух химических соединений: органического материала и соли металла.
После смешивания они самостоятельно собираются в тонкую пленку переключаемого материала.«Это сочетание этих двух характеристик, относительно быстрого времени переключения и почти черного цвета, действительно взволновало людей», — говорит Динка.По его словам, новые окна могут сделать гораздо больше, чем просто предотвратить блики. «Это может привести к довольно значительной экономии энергии», — говорит он, резко снизив потребность в кондиционировании воздуха в зданиях с большим количеством окон в жарком климате. «Вы можете просто щелкнуть выключателем, когда солнце светит в окно, и выключить его», или даже автоматически заставить потемнеть сразу вся эта сторона здания, — говорит он.
В то время как свойства материала теперь были продемонстрированы в лабораторных условиях, следующим шагом команды является создание небольшого устройства для дальнейших испытаний: квадратный образец размером 1 дюйм, чтобы продемонстрировать принцип в действии для потенциальных инвесторов в технологии, и помочь определить, какими будут затраты на производство таких окон.По словам Динка, необходимы дальнейшие испытания, чтобы продемонстрировать то, что они определили в ходе предварительного тестирования: после того, как переключатель щелкнул и материал изменил цвет, ему больше не требуется питания для поддержания его нового состояния.
Никакой дополнительной энергии не требуется, пока переключатель не будет перевернут, чтобы вернуть материал в его прежнее состояние, будь то прозрачное или непрозрачное. Напротив, многие существующие электрохромные материалы требуют постоянного напряжения.В дополнение к умным окнам, говорит Динка, этот материал также может использоваться для некоторых видов маломощных дисплеев, подобных дисплеям, подобным электронным чернилам (которые используются в таких устройствах, как Kindle, и основаны на технологии, разработанной MIT), но основанных на совершенно другой подход.
Неудивительно, что исследование частично финансировалось организацией в регионе, где такие светозащитные окна были бы особенно полезны: Институтом Масдара, базирующимся в Объединенных Арабских Эмиратах, в рамках соглашения о сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом. Исследование также получило поддержку Министерства энергетики США через Центр экситоники, Energy Frontier Center.