Ny type smarte vinduer bruger væske til at skifte fra klare til reflekterende

Forskere har demonstreret prototypevinduer, der skifter fra reflekterende til klare ved simpel tilsætning af en væske. De nye omskiftelige vinduer er nemme at fremstille og kunne en dag holde parkerede biler kølige i solen eller gøre kontorbygninger mere energieffektive. Teknologien kan også bruges til at lave tagpaneler, der holder husene kølige om sommeren og varme om vinteren.

Selvom glas, der bruger en påført spænding til at skifte fra klar til en uigennemsigtig eller tonet tilstand, er kommercielt tilgængelig, dets høje omkostninger - omkring $100 pr. kvadratfod - har hindret udbredt brug.

"Vi forventer, at vores smarte glas koster en tiendedel af, hvad det nuværende smarte glas koster, fordi vores version kan fremstilles med de samme metoder, der bruges til at lave mange plastdele og ikke kræver kompliceret elektro-optisk teknologi til at skifte, sagde Keith Goossen, der ledede forskerholdet med Daniel Wolf fra University of Delaware.

De nye smarte vinduer indeholder et plastpanel med et mønster af strukturer, der er retroreflekterende. Det betyder, at snarere end at reflektere lys i alle retninger som et spejl, det reflekterer lyset tilbage i den retning, det kom fra, som en cykelreflektor.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskerne demonstrerer en prototype af det nye smarte glas bestående af et 3D-printet plastpanel dækket af et tyndt kammer. Når kammeret er fyldt med det flydende methylsalicylat - som matcher plastens optiske egenskaber - bliver de retroreflekterende strukturer gennemsigtige.

"Selvom vi var nødt til at udvikle nye måder at behandle 3D-printbar plast med god optisk ydeevne, udvikle billige brydningsindeks-matchende væsker og komme op med stærkt reflekterende optiske strukturer, innovationen her er mest i at erkende, at et så simpelt koncept kunne fungere, sagde Goossen.

Holder bilerne kølige

En af de mest lovende anvendelser for det nye omskiftelige glas kan være i biler, hvor den kunne bruges til at ændre forruden til en reflekterende tilstand, når bilen er parkeret i den varme sol.

"Du kan ikke bruge nutidens kommercielt tilgængelige omskiftelige glas til denne applikation, fordi forruden i mørk tilstand stadig absorberer sollys og bliver varm, " sagde Goossen. "Fordi vores glas er retroreflekterende i den ikke-gennemsigtige tilstand, næsten alt lys reflekteres, beholde glasset, og dermed bilen, fra at blive varm."

At glasset er retroreflekterende betyder, at hvis det blev brugt på ydersiden af ​​skyskraberen, for eksempel, det ville rette lyset op mod solen i stedet for ned til gaden. Dette reducerer bygningens bidrag til byopvarmning, hvilket er et problem i mange byområder.

Forskerne har også vist, at de retroreflekterende plastpaneler kan bruges som en billig omskiftelig tagkonstruktion, der reducerer omkostningerne til opvarmning og afkøling. På steder, der er varme og solrige året rundt, hvide tagmaterialer har vist sig at sænke køleomkostningerne ved at reflektere sollys. Imidlertid, i områder med kolde vintre, disse hvide tage øger varmeomkostningerne uoverkommeligt om vinteren.

"Her i Delaware, du vil gerne have et hvidt tag om sommeren for at holde huset køligt og et mørkt tag om vinteren for at absorbere sollys og hjælpe med at sænke varmeomkostningerne, sagde Goossen. Til smart tagdækning, vores nye teknologi tilbyder en mere effektiv type køligt tag, fordi det er retroreflekterende, samtidig med at det tillader taget at skifte til mørkt om vinteren."

Til tagdækning, et lag materiale placeret under panelerne bruges til at absorbere lys, når panelerne er i deres klare tilstand. Dette hjælper med at holde huset varmere, når udendørstemperaturerne er kolde. Selvom methylsalicylat brugt i prototypen kunne fryse i meget kolde klimaer (mindre end 16 grader Fahrenheit), frysebestandige væsker kunne udvikles.

3D-print af prototypen

For at lave det nye omskiftelige glas, forskerne startede med at bruge 3D-print til at lave plastpaneler med gentagne retroreflekterende strukturer i forskellige størrelser til test. De brugte et kommercielt tilgængeligt klart 3D-printbart materiale og udviklede efterbehandlingstrin for at sikre, at plastikken forblev meget gennemsigtig efter udskrivning og udviste meget nøjagtige hjørner, som var vigtige for at opnå retroreflektion.

"Uden 3D-print, vi ville have været nødt til at bruge en støbeteknologi, som kræver at bygge en anden form for hver anden struktur, " sagde Goossen. "Med 3D-print, vi kunne nemt lave den struktur, vi ønskede, og derefter køre eksperimenter for at se, hvordan det fungerede. Til kommerciel produktion, vi kan bruge standard sprøjtestøbning til billigt at fremstille de retroreflekterende paneler."

Når forskerne fandt ud af den optimale størrelse at bruge til de gentagne strukturer, de udførte optisk test for at afgøre, om egenskaber såsom overfladeruhed eller materialets lysabsorption ville forårsage uventede optiske problemer. Disse optiske test viste, at strukturerne fungerede nøjagtigt som angivet ved optiske simuleringer.

"Vigtigt, vi demonstrerede også, at enheden kan gennemgå tusindvis af cyklusser fra gennemsigtig til reflekterende uden nogen forringelse, sagde Goossen. Det gjorde de, imidlertid, opdage, at noget væske bliver på strukturen i stedet for at løbe af. For at løse dette problem, forskerne er ved at udvikle belægninger, der hjælper væsken med at dræne plastikken uden at efterlade rester.

"For yderligere at demonstrere teknologiens anvendelighed som omskifteligt glas, vi bygger en kontordør, der inkorporerer det nye smarte glas som et omskifteligt privatpanel, " sagde Goossen. "Denne typer paneler er i øjeblikket lavet med meget dyrere teknologi. Vi håber, at vores tilgang kan udvide denne og andre anvendelser af smart glas."