Forskare har visat prototypfönster som växlar från reflekterande till klara med enkel tillsats av en vätska. De nya växlingsbara fönstren är lätta att tillverka och skulle en dag kunna hålla parkerade bilar svala i solen eller göra kontorsbyggnader mer energieffektiva. Tekniken kan även användas för att göra takpaneler som håller hus svala på sommaren och varma på vintern.

Även om glas som använder en pålagd spänning för att växla från klart till ogenomskinligt eller tonat tillstånd är kommersiellt tillgängligt, dess höga kostnad - runt 100 dollar per kvadratfot - har hindrat utbredd användning.

"Vi förväntar oss att vårt smarta glas kommer att kosta en tiondel av vad det nuvarande smarta glaset kostar eftersom vår version kan tillverkas med samma metoder som används för att tillverka många plastdelar och inte kräver komplicerad elektrooptisk teknik för omkoppling, sa Keith Goossen, som ledde forskargruppen med Daniel Wolf från University of Delaware.

De nya smarta fönstren innehåller en plastpanel med ett mönster av strukturer som är retroreflekterande. Detta innebär att istället för att reflektera ljus i alla riktningar som en spegel, den reflekterar ljuset tillbaka i den riktning den kom ifrån som en cykelreflektor.

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express , forskarna visar en prototyp av det nya smarta glaset som består av en 3D-printad plastpanel täckt av en tunn kammare. När kammaren är fylld med vätskan metylsalicylat - som matchar plastens optiska egenskaper - blir de retroreflekterande strukturerna genomskinliga.

"Även om vi var tvungna att utveckla nya sätt att bearbeta 3D-utskrivbar plast med bra optisk prestanda, utveckla billiga vätskor som matchar brytningsindex och komma med högreflekterande optiska strukturer, innovationen här är mest i att inse att ett så enkelt koncept skulle kunna fungera, sa Goossen.

Håller bilarna svala

En av de mest lovande tillämpningarna för det nya omkopplingsbara glaset kan vara i bilar, där den skulle kunna användas för att ändra vindrutan till ett reflekterande tillstånd när bilen står parkerad i den heta solen.

"Du kan inte använda dagens kommersiellt tillgängliga omkopplingsbara glas för denna applikation eftersom vindrutan i mörkt tillstånd fortfarande absorberar solljus och blir varm, ", sade Goossen. "Eftersom vårt glas är retroreflekterande i det icke-transparenta tillståndet, nästan allt ljus reflekteras, hålla glaset, och därmed bilen, från att bli varm."

Det faktum att glaset är retroreflekterande betyder att om det skulle användas på utsidan av skyskrapan, till exempel, det skulle rikta ljuset upp mot solen snarare än ner till gatan. Detta minskar byggnadens bidrag till stadsuppvärmningen, vilket är ett problem i många tätorter.

Forskarna har också visat att de retroreflekterande plastpanelerna kan användas som en billig omkopplingsbar takkonstruktion som minskar uppvärmnings- och kylkostnaderna. På platser som är varma och soliga året runt, vita takmaterial har visat sig sänka kylningskostnaderna genom att reflektera solljus. Dock, i områden med kalla vintrar, dessa vita tak ökar oöverkomligt mycket uppvärmningskostnaderna på vintern.

"Här i Delaware, du skulle vilja ha ett vitt tak på sommaren för att hålla huset svalt och ett mörkt tak på vintern för att absorbera solljus och hjälpa till att sänka uppvärmningskostnaderna, sade Goossen. För smart takläggning, vår nya teknik erbjuder en mer effektiv typ av svalt tak eftersom det är retroreflekterande samtidigt som det låter taket gå över till mörkt på vintern."

För takapplikationer, ett lager av material placerat under panelerna används för att absorbera ljus när panelerna är i sitt klara tillstånd. Detta hjälper till att hålla huset varmare när utomhustemperaturerna är kalla. Även om metylsalicylaten som användes i prototypen kunde frysa i mycket kalla klimat (mindre än 16 grader Fahrenheit), fryståliga vätskor kan utvecklas.

3D-utskrift av prototypen

För att göra det nya omkopplingsbara glaset, forskarna började med att använda 3D-utskrift för att göra plastpaneler med återkommande retroreflekterande strukturer av olika storlekar för testning. De använde ett kommersiellt tillgängligt klart 3D-utskrivbart material och utvecklade efterbearbetningssteg för att säkerställa att plasten förblev mycket transparent efter utskrift och visade mycket exakta hörn, som var viktiga för att uppnå retroreflektion.

"Utan 3D-utskrift, vi skulle ha behövt använda en formningsteknik, vilket kräver att man bygger en annan form för varje struktur, " sa Goossen. "Med 3D-utskrift, vi kunde enkelt göra vilken struktur vi ville och sedan köra experiment för att se hur det fungerade. För kommersiell produktion, vi kan använda standard formsprutning för att billigt tillverka de retroreflekterande panelerna."

När forskarna väl kom fram till den optimala storleken att använda för de upprepade strukturerna, de utförde optiska tester för att avgöra om egenskaper som ytjämnhet eller materialets ljusabsorption skulle orsaka oväntade optiska problem. Dessa optiska tester visade att strukturerna fungerade exakt som indikerade av optiska simuleringar.

"Viktigt, vi visade också att enheten kan genomgå tusentals cykler från transparent till reflekterande utan någon försämring, sa Goossen. Det gjorde de, dock, upptäcker att en del vätska stannar kvar på strukturen istället för att rinna av. För att lösa det här problemet, forskarna utvecklar beläggningar som hjälper vätskan att rinna av plasten utan att lämna några rester.

"För att ytterligare demonstrera teknikens användbarhet som omkopplingsbart glas, vi bygger en kontorsdörr som innehåller det nya smarta glaset som en omkopplingsbar sekretesspanel, ", sa Goossen. "Dessa typer av paneler tillverkas för närvarande med mycket dyrare teknik. Vi hoppas att vårt tillvägagångssätt kan bredda denna och andra tillämpningar av smart glas."