20.07.2012

Предложен метод, позволяющий сделать «умные окна» доступнее

Создатели так называемых умных стёкол, могущих изменять свой цвет и прозрачность, утверждают, что владельцы больших офисных зданий немало выиграют от использования их разработок, позволяющих тратить гораздо меньше энергии на кондиционирование воздуха даже в самые солнечные и жаркие дни. Некоторые подобные стёкла уже доступны на рынке (по недоступной, впрочем, цене).

По мнению тайваньских учёных, предложенный ими одностадийный метод создания оконного покрытия на основе изменяющих свой цвет нанопроводков поможет значительно упростить и удешевить процесс производства «умных» оконных стёкол. Рассказ о своей методике исследователи опубликовали в журнале ACS Nano.

По статистике, на долю зданий приходится до 71% всего потребления электроэнергии, причём примерно треть от этой величины — электричество для охлаждения помещений, нагреваемых солнечным светом сквозь обычное оконное стекло. Существующие электрохромовые окна, становящиеся темнее или светлее в зависимости от приложенного напряжения, решают проблему нагрева помещения солнечным ИК-излучением. Однако они содержат несколько слоёв, сложны и дороги в производстве. В целом структура электрохромовых окон во многом напоминает структуру батарей. Между двумя стеклянными электродами зажат электрохромовый слой, который обычно изготавливается из оксида вольфрама и электролита, содержащего ионы лития. Приложенное напряжение заставляет ионы двигаться в направлении электрохромического материала, меняя его оптические свойства таким образом, что он начинает поглощать как видимый, так и ИК-свет. Смена полюсов заставляет ионы лития покинуть оксид вольфрама, и окно снова становится прозрачным.

Кроме того, электрохромовое оконное стекло нуждается во внешнем антиотражающем покрытии, без которого оно кажется непрозрачным. Необходимость нанесения дополнительного слоя на большие поверхности ещё сильнее удорожает продукцию.

Чтобы снизить дополнительные расходы, учёные из Национального университета Чун Синга (Тайвань) постарались разработать такое покрытие, которое было бы одновременно антиотражающим и электрохромическим.

Подобными свойствами обладают нанопроводки диоксида титана, но выращивание этих структур на стеклянной подложке — непростая задача. Но это если идти в лоб, применяя стандартный подход формирования нанопроволок от подложки вверх. Если же изменить направление процесса, воспользовавшись обратным подходом «сверху вниз» (up-to-bottom), задача сильно упрощается.

Именно так и поступили исследователи, которые вначале покрыли стеклянный электрод (стекло с тонким слоем оксида индия-олова ITO) непрерывным слоем диоксида титана, а затем погрузили его на час в раствор гидроксида натрия, нагретый до 80 ⁰C (заметим, что подобные процедуры опасны для самого стекла, которое может просто потерять былую прозрачность). Щёлочь прореагировала с поверхностью диоксида титана, сформировав желаемые нанопроводки. Авторы работы утверждают, что могут управлять толщиной нанопроволочного покрытия, просто меняя концентрацию щёлочи.

Сравнительные тесты показали, что наивысшая пористость материала достигается при использовании 2,5 М раствора гидроксида натрия (высокая пористость позволяет ионам лития двигаться свободнее).

На примере небольшого прототипа размером 1,69 см² были продемонстрированы следующие характеристики нового материала для «умных» стёкол: при приложении напряжения в 4,5 В прозрачное стекло становилось светло-серым; прозрачность стекла полностью восстанавливалась при обратном напряжении, равном 1 В; коэффициент рефракции — 1,37, что соответствует уровню антиотражающих покрытий традиционных вольфрамовых электрохромовых окон.

Подготовлено по материалам Chemical & Engineering News.

Роман Иванов

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА