Mekanisk vejrtrækning i smarte vinduer

Smarte vinduer ændrer automatisk gennemsigtighed, når en spænding påføres. Imidlertid, en af ​​grundene til, at de ikke er mere udbredt, er, at polymeren indeni dramatisk udvides og krymper for hver ladning. Purdue University forskere har døbt denne effekt "mekanisk vejrtrækning."

"Fra vores eksperimenter, det kan udvide op til 30 procent i volumen, " sagde Xiaokang Wang, en ph.d. studerende under Kejie Zhao, en adjunkt i maskinteknik. "Det er en enorm mængde. Disse ekspansions-krympningscyklusser sætter en enorm belastning og belastning på materialerne i vinduerne. Det får lagene af vinduet til at delaminere, og så virker det smarte vindue ikke. "

Wangs papir om "mekanisk vejrtrækning" er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Smart vinduer kommer i mange forskellige konfigurationer, men de mest populære kaldes elektrokrome enheder, fordi de skifter farve, når der påføres en spænding. På Boeing 787 Dreamliner-flyet, for eksempel, passagerer kan gradvist justere gennemsigtigheden af ​​deres vinduer ved hjælp af elektrokrome. Lignende vinduer er nu tilgængelige til stor installation i bygninger, programmeret til gradvist at blive mørkere på solrige dage for at reducere energiomkostningerne.

Et typisk elektrokromt smart vindue har fem lag, med to elektroder på hver side, et ionlagerlag, et elektrokromt lag, og en elektrolyt i midten. Jianguo Mei, assisterende professor i organisk kemi ved Purdue, havde eksperimenteret med forskellige kemiske opskrifter på det tyndfilmede elektrokromiske materiale for at øge vinduespålideligheden. Men den laminerede struktur af et smart vindue gør det vanskeligt at studere individuelle komponenter under drift; hele femlagssubstratet er kun 500 nanometer tykt, mindre end 1% tykkelsen af ​​et menneskehår.

Mei fik hjælp fra Zhao til at vurdere filmens mekaniske egenskaber på nanoskala. Zhao og Wang var chokerede over de indledende tests.

"Materialet udvidede sig op til 30 procent i volumen, men blev også halvt så elastisk og halvt så hårdt, " sagde Wang.

Denne "mekaniske vejrtrækning" fik materialet til at rynke og presse op mod de andre lag af underlaget. De ydre lag delaminerede, forhindrer elektroner i at strømme og får den elektrokrome enhed til at holde op med at fungere.

"I vores forsøg med ubehandlede prøver, vi så fejl efter kun 100 cyklusser, " sagde Wang.

De begyndte at finjustere og styrke elektrodens substratmateriale, ru overfladen med silica nanopartikler. Denne øgede mekaniske pålidelighed, overlever op til 8, 000 cykler. Men det er ikke nær nok.

"Disse enheder skal kunne modstå mere end 200, 000 cykler, " sagde Wang. "Det er et stort hul!"

Wang og Zhao, sammen med Mei's gruppe i Institut for Kemi, fortsætter deres studier i håb om, at disse elektrokrome enheder kan gøres mere pålidelige.

"Fra vores eksperimenter, vi bygger nye teoretiske modeller, " sagde Wang. "Sammen med materialeforskere og kemikere, vi ønsker at finde nye materialer, nye materialebehandlingsmetoder, og nye mekaniske designs for at opnå meget længere levetider for disse enheder."

Smarte vinduer har potentiale til at spare enorme mængder energi, blive en normal og pålidelig del af hjemmet, kontorer og køretøjer. Men indtil pålideligheden er forbedret, Purdue-forskere vil fortsætte deres arbejde.

"Jeg kan se en fremtid, hvor hele vægge vil være elektrokrome smarte vinduer, " sagde Wang. "Folk kan nyde det smukke udendørs, mens de reducerer energiforbruget på samme tid. Det er en win-win! "