Hæve IQ af smarte vinduer

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har designet et nyt materiale til at gøre smarte vinduer endnu smartere. Materialet er en tynd belægning af nanokrystaller indlejret i glas, der dynamisk kan modificere sollys, når det passerer gennem et vindue. I modsætning til eksisterende teknologier, belægningen giver selektiv kontrol over synligt lys og varmeproducerende nær-infrarødt (NIR) lys, så vinduer kan maksimere både energibesparelser og beboerkomfort i en lang række klimaer.

"I USA, vi bruger omkring en fjerdedel af vores samlede energi på belysning, opvarmning og afkøling af vores bygninger, " siger Delia Milliron, en kemiker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, der ledede denne forskning. "Når det bruges som vinduesbelægning, vores nye materiale kan have stor indflydelse på bygningens energieffektivitet."

Milliron er tilsvarende forfatter på et papir, der beskriver tidsskriftets resultater Natur . Avisen har titlen, "Justerbar nær-infrarød og synlig lystransmission i nanokrystal-i-glas-kompositter, " medforfatter af Anna Llordés, Guillermo Garcia, og Jaume Gazquez.

Millirons forskergruppe er allerede kendt for deres smart-window-teknologi, der blokerer NIR uden at blokere for synligt lys. Teknologien afhænger af en elektrokrom effekt, hvor et lille stød af elektricitet skifter materialet mellem NIR-transmitterende og NIR-blokerende tilstande. Dette nye arbejde tager deres tilgang til det næste niveau ved at give uafhængig kontrol over både synligt og NIR-lys. Innovationen blev for nylig anerkendt med en 2013 R&D 100 Award, og forskerne er i de tidlige stadier af kommercialisering af deres teknologi.

Uafhængig kontrol over NIR-lys betyder, at beboerne kan have naturlig belysning indendørs uden uønsket termisk forstærkning, reducerer behovet for både aircondition og kunstig belysning. Det samme vindue kan også skiftes til mørk tilstand, blokerer både lys og varme, eller til en lys, fuldstændig gennemsigtig tilstand.

"Vi er meget begejstrede for kombinationen af ​​unik optisk funktion med den billige og miljøvenlige behandlingsteknik, sagde Llordés, en projektforsker, der arbejder med Milliron. "Det er det, der gør dette 'universelle smarte vindue'-koncept til en lovende konkurrencedygtig teknologi."

I hjertet af deres teknologi er et nyt "designer" elektrokromt materiale, lavet af nanokrystaller af indiumtinoxid indlejret i en glasagtig matrix af niobiumoxid. Det resulterende kompositmateriale kombinerer to forskellige funktionaliteter - den ene giver kontrol over synligt lys og den anden, kontrol over NIR - men det er mere end summen af ​​dets dele. Forskerne fandt en synergistisk interaktion i det lille område, hvor glasagtig matrix møder nanokrystal, der øger styrken af ​​den elektrokrome effekt, hvilket betyder, at de kan bruge tyndere belægninger uden at gå på kompromis med ydeevnen. Nøglen er, at den måde, atomer forbinder på tværs af nanokrystal-glas-grænsefladen, forårsager en strukturel omlejring i glasmatrixen.

Interaktionen åbner plads inde i glasset, så ladningen kan bevæge sig ind og ud lettere. Ud over elektrokrome vinduer, denne opdagelse antyder nye muligheder for batterimaterialer, hvor transport af ioner gennem elektroder kan være en udfordring.

"Fra et materialedesignperspektiv, vi har vist, at du kan kombinere meget forskellige materialer for at skabe nye egenskaber, der ikke er tilgængelige i et homogent enkeltfaset materiale, enten amorf eller krystallinsk, ved at tage nanokrystaller og lægge dem i glas, " siger Milliron.

Men for Milliron, forskningsrejsen er endnu mere tilfredsstillende end enten grundlæggende videnskabelig opdagelse eller teknologiske fremskridt alene.

"Den mest spændende del har været at tage dette projekt hele vejen fra at syntetisere et nyt materiale, at forstå det i detaljer, og endelig til at realisere en helt ny funktionalitet, der kan have stor indflydelse på teknologien, " siger Milliron. "At tage et materialeudviklingsprojekt hele vejen gennem den proces er virkelig ret bemærkelsesværdigt. Det taler virkelig om, hvad vi kan gøre i Berkeley Lab, hvor du ikke kun har adgang til de videnskabelige faciliteter, men også til folk, der kan informere dit perspektiv."