Kemikere kunne gøre smart glas smartere ved at manipulere det på nanoskala

"Smart glas, "et energieffektivt produkt fundet i nyere vinduer i biler, bygninger og fly, skifter langsomt mellem transparent og tonet ved at trykke på en kontakt.

"Langsomt" er det operative ord; typisk smart glas tager flere minutter at nå sin mørke tilstand, og mange cyklusser mellem lys og mørke har en tendens til at forringe farvekvaliteten over tid. Kemikere fra Colorado State University har udtænkt en potentielt stor forbedring af både hastigheden og holdbarheden af ​​smart glas ved at give en bedre forståelse af, hvordan glasset fungerer på nanoskala.

De tilbyder et alternativt design i nanoskala til smart glas i ny forskning offentliggjort 3. juni i Proceedings of the National Academy of Sciences . Projektet startede som en stipendieøvelse for kandidatstuderende og førsteforfatter R. Colby Evans, hvis idé - og lidenskab for kemien i farveskiftende materialer - blev til et eksperiment, der involverede to typer mikroskopi og rekrutterede flere samarbejdspartnere. Evans rådgives af Justin Sambur, adjunkt ved Institut for Kemi, hvem er avisens seniorforfatter.

Det smarte glas, som Evans og kolleger studerede, er "elektrokromisk, " som virker ved at bruge en spænding til at drive lithiumioner ind og ud af tynde, klare film af et materiale kaldet wolframoxid. "Du kan tænke på det som et batteri, du kan se igennem, " sagde Evans. Typiske wolframoxid smarte glaspaneler tager 7-12 minutter at skifte mellem klare og tonede.

Nanopartikler toner hurtigere

Forskerne undersøgte specifikt elektrokrome wolframoxid-nanopartikler, som er 100 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Deres eksperimenter afslørede, at enkelte nanopartikler, på egen hånd, toner fire gange hurtigere end film af de samme nanopartikler. Det er fordi grænseflader mellem nanopartikler fanger lithium-ioner, bremse farveadfærd. Over tid, disse ionfælder forringer også materialets ydeevne.

For at støtte deres påstande, forskerne brugte lysfelttransmissionsmikroskopi til at observere, hvordan wolframoxid-nanopartikler absorberer og spreder lys. Fremstilling af prøve "smart glas, " de varierede, hvor meget nanopartikelmateriale de anbragte i deres prøver og så, hvordan toningsadfærden ændrede sig, efterhånden som flere og flere nanopartikler kom i kontakt med hinanden. De brugte derefter scanningselektronmikroskopi til at opnå billeder i højere opløsning af længden, bredde og afstand mellem nanopartiklerne, så de kunne fortælle, for eksempel, hvor mange partikler var samlet, og hvor mange der var spredt fra hinanden.

Baseret på deres eksperimentelle resultater, forfatterne foreslog, at ydeevnen af ​​smart glas kunne forbedres ved at lave et nanopartikelbaseret materiale med optimalt adskilte partikler, for at undgå ionfangende grænseflader.

Andre applikationer

Deres billeddannelsesteknik tilbyder en ny metode til at korrelere nanopartikelstruktur og elektrokrome egenskaber; forbedring af smart-vinduets ydeevne er kun én applikation, der kan resultere. Deres tilgang kunne også vejlede anvendt forskning i batterier, brændstofceller, kondensatorer og sensorer.

"Takket være Colbys arbejde, vi har udviklet en ny måde at studere kemiske reaktioner i nanopartikler, og jeg forventer, at vi vil udnytte dette nye værktøj til at studere underliggende processer i en lang række vigtige energiteknologier, " sagde Sambur.