Smarta fönster ändrar automatiskt genomskinlighet när en spänning appliceras. Dock, en anledning till att de inte är mer utbredda är att polymeren inuti dramatiskt expanderar och krymper för varje laddning. Purdue University forskare har kallat denna effekt "mekanisk andning."

"Från våra experiment, den kan expandera upp till 30 procent i volym, sa Xiaokang Wang, en doktorsexamen student under Kejie Zhao, en biträdande professor i maskinteknik. "Det är en enorm mängd. Dessa expansions-krympningscykler sätter en enorm påfrestning och påfrestning på fönstrens material. Det gör att lager av fönstret delamineras, och då fungerar inte det smarta fönstret."

Wangs artikel om "mekanisk andning" har publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Smarta fönster finns i många olika konfigurationer, men de mest populära kallas elektrokroma enheter eftersom de ändrar färg när en spänning appliceras. På Boeing 787 Dreamliner -flygplan, till exempel, passagerare kan gradvis justera genomskinligheten i sina fönster med hjälp av elektrokrom. Liknande fönster finns nu tillgängliga för storskalig installation i byggnader, programmerad att gradvis mörkna på soliga dagar för att minska energikostnaderna.

Ett typiskt elektrokromiskt smart fönster har fem lager, med två elektroder på vardera sidan, ett jonlagringsskikt, ett elektrokromt skikt, och en elektrolyt i mitten. Jianguo Mei, biträdande professor i organisk kemi vid Purdue, hade experimenterat med olika kemiska recept för det elektrokroma tunnfilmsmaterialet för att öka fönstrets tillförlitlighet. Men den laminerade strukturen hos ett smart fönster gör det svårt att studera enskilda komponenter under drift; hela femlagersunderlaget är bara 500 nanometer tjockt, mindre än 1 % av tjockleken på ett människohår.

Mei tog hjälp av Zhao för att bedöma filmens mekaniska egenskaper i nanoskala. Zhao och Wang var chockade över de första testerna.

"Materialet expanderade upp till 30 procent i volym, men blev också hälften så elastisk och hälften så hård, " sa Wang.

Denna "mekaniska andning" fick materialet att skrynkla och trycka upp mot substratets andra lager. De yttre skikten delaminerade, förhindrar elektroner från att flöda och får den elektrokroma enheten att sluta fungera.

"I våra experiment med obehandlade prover, vi såg fel efter bara 100 cykler, " sa Wang.

De började justera och stärka elektrodens substratmaterial, rugga upp ytan med nanopartiklar av kiseldioxid. Denna ökade mekaniska tillförlitlighet, överleva upp till 8, 000 cykler. Men det räcker inte alls.

"Dessa enheter måste klara mer än 200, 000 cykler, " sa Wang. "Det är en stor lucka!"

Wang och Zhao, tillsammans med Meis grupp på Institutionen för kemi, fortsätter sina studier i hopp om att dessa elektrokroma enheter kan göras mer tillförlitliga.

"Från våra experiment, vi bygger nya teoretiska modeller, " sa Wang. "Tillsammans med materialvetare och kemister, vi vill hitta nya material, nya materialbearbetningsmetoder, och nya mekaniska konstruktioner för att uppnå mycket längre livslängder för dessa enheter."

Smarta fönster har potential att spara enorma mängder energi, bli en normal och pålitlig del av hemmen, kontor och fordon. Men tills tillförlitligheten förbättras, Purdue-forskare kommer att fortsätta sitt arbete.

"Jag kan se en framtid där hela väggar kommer att vara elektrokroma smarta fönster, " Wang sa. "Människor kan njuta av den vackra naturen samtidigt som de minskar energiförbrukningen. Det är en win-win!"