Smarta fönster som automatiskt ändrar färg beroende på solljusets intensitet får uppmärksamhet eftersom de kan minska energiräkningen genom att blockera solens synliga strålar under sommaren. Men hur är det med fönster som ändrar färg beroende på luftfuktigheten ute under monsunsäsongen eller varma sommardagar?

Nyligen, ett koreanskt forskarlag har utvecklat källteknologin för smarta fönster som ändrar färger efter mängden fukt, utan att behöva el.

Det gemensamma forskarteamet bestod av professor Junsuk Rho från avdelningarna för maskin- och kemiteknik, Jaehyuck Jang och Aizhan Ismukhanova från avdelningen för kemiteknik på POSTECH, och professor Inkyu Park vid KAISTs avdelning för maskinteknik. Tillsammans, de utvecklade framgångsrikt ett variabelt färgfilter med hjälp av en metall-hydrogel-metallresonatorstruktur med en kitosanbaserad hydrogel och kombinerade det med solceller för att göra en självförsörjande fuktighetssensor. Dessa forskningsrön publicerades som en omslagsartikel i den senaste upplagan av Avancerat optiskt material , en tidskrift specialiserad på nanovetenskap och optik.

Sensorer som använder ljus används redan i stor utsträckning i vårt dagliga liv för att mäta EKG, luftkvalitet, eller avstånd, till exempel. Grundprincipen är att använda ljus för att upptäcka förändringar i omgivningen och för att omvandla dem till digitala signaler.

Fabri-Pero-interferens är ett av de resonansfenomen som kan appliceras i optiska sensorer och kan materialiseras i form av flerskiktiga tunna filmer av metall-dielektrisk-metall. Det är känt att resonansvåglängden för transmitterat ljus kan styras i enlighet med tjockleken och brytningsindexet för det dielektriska skiktet. Dock, de befintliga metall-dielektriska-metallresonatorerna har en stor nackdel i att de inte kan kontrollera våglängderna för transmitterat ljus när de väl är tillverkade, vilket gör det svårt att använda dem i variabla sensorer.

Forskargruppen fann att när kitosanhydrogelen görs till metall-hydrogel-metallstrukturen, resonansvåglängden för det överförda ljuset ändras i realtid beroende på luftfuktigheten i omgivningen. Detta beror på att kitosanhydrogelen upprepar expansion och sammandragning när luftfuktigheten förändras runt den.

Med hjälp av denna mekanism, teamet utvecklade en fuktighetssensor som kan omvandla ljusets energi till elektricitet genom att kombinera ett solbatteri med ett vattenfilter med variabel våglängd gjord av ett metall-hydrogel-metallstrukturerat metamterial som ändrar resonansvåglängden beroende på den yttre fuktigheten.

Konstruktionsprincipen är att överlappa filtrets resonansvåglängd med den våglängd där absorptionen av solcellerna ändras snabbt. Detta filter är utformat för att ändra mängden ljusabsorption av solceller beroende på mängden fukt, och att leda till elektriska förändringar som i slutändan upptäcker den omgivande fuktigheten.

Till skillnad från konventionella optiska fuktsensorer, dessa nyutvecklade fungerar oavsett typ av ljus, om det är naturligt, LED eller inomhus. Också, inte bara fungerar den utan extern ström, men det kan också förutsäga luftfuktighet enligt filtrets färg.

Professor Junsuk Rho som ledde forskningen kommenterade, "Den här tekniken är en avkänningsteknik som kan användas på platser som kärnkraftsreaktorer dit människor och elektricitet inte kan nå." Han lade till, "Det kommer att skapa ännu större synergi om det kombineras med IoT-teknik som fuktsensorer som aktiverar eller smarta fönster som ändrar färger efter nivån på extern fuktighet."