Nanokristaller av indiumtennoxid (visas här i blått) inbäddade i en glasartad matris av nioboxid (grön) bildar ett kompositmaterial som kan växla mellan NIR-överförande och NIR-blockerande tillstånd med en liten stöt av elektricitet. En synergistisk interaktion i området där glasartad matris möter nanokristall ökar styrkan hos den elektrokroma effekten. Kredit:Berkeley Lab
Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har designat ett nytt material för att göra smarta fönster ännu smartare. Materialet är en tunn beläggning av nanokristaller inbäddade i glas som dynamiskt kan modifiera solljus när det passerar genom ett fönster. Till skillnad från befintlig teknik, beläggningen ger selektiv kontroll över synligt ljus och värmeproducerande nära-infrarött (NIR) ljus, så fönster kan maximera både energibesparingar och passagerarkomfort i en mängd olika klimat.
"I USA, vi spenderar ungefär en fjärdedel av vår totala energi på belysning, värma och kyla våra byggnader, " säger Delia Milliron, en kemist vid Berkeley Labs Molecular Foundry som ledde denna forskning. "När den används som fönsterbeläggning, vårt nya material kan ha stor inverkan på byggnadens energieffektivitet."
Milliron är motsvarande författare på ett papper som beskriver tidskriftens resultat Natur . Tidningen heter, "Inställbar nära-infraröd och synlig ljustransmittans i nanokristall-i-glaskompositer, " medförfattare av Anna Llordés, Guillermo Garcia, och Jaume Gazquez.
Millirons forskargrupp är redan välkänd för sin smarta fönsterteknologi som blockerar NIR utan att blockera synligt ljus. Tekniken bygger på en elektrokrom effekt, där ett litet stöt av elektricitet växlar materialet mellan NIR-sändande och NIR-blockerande tillstånd. Detta nya arbete tar deras inställning till nästa nivå genom att tillhandahålla oberoende kontroll över både synligt och NIR-ljus. Innovationen belönades nyligen med en 2013 R&D 100 Award och forskarna är i ett tidigt skede av kommersialiseringen av sin teknologi.
Ett dubbelbands elektrokromt material har utvecklats genom att länka tenndopade indiumoxidnanokristaller till en amorf nioboxidmatris. Dessa transparenta filmer kan blockera solstrålning på ett kontrollerat sätt, gör att dagsljus och solvärme kan moduleras selektivt och dynamiskt genom fönster. Kredit:Anna Llordés, Lawrence Berkeley National Lab.
Oberoende kontroll över NIR-ljus innebär att passagerare kan ha naturlig belysning inomhus utan oönskad värmeförstärkning, minskar behovet av både luftkonditionering och artificiell belysning. Samma fönster kan också växlas till mörkt läge, blockerar både ljus och värme, eller till en ljus, helt transparent läge.
"Vi är mycket glada över kombinationen av unik optisk funktion med den billiga och miljövänliga bearbetningstekniken, sa Llordés, en projektforskare som arbetar med Milliron. "Det är det som gör detta "universella smarta fönster"-koncept till en lovande konkurrenskraftig teknik."
I hjärtat av deras teknologi är ett nytt "designer" elektrokromiskt material, gjord av nanokristaller av indiumtennoxid inbäddade i en glasartad matris av nioboxid. Det resulterande kompositmaterialet kombinerar två distinkta funktioner – en ger kontroll över synligt ljus och den andra, kontroll över NIR – men det är mer än summan av dess delar. Forskarna fann en synergistisk interaktion i det lilla området där glasartad matris möter nanokristall som ökar styrkan hos den elektrokroma effekten, vilket innebär att de kan använda tunnare beläggningar utan att kompromissa med prestanda. Nyckeln är att sättet som atomer ansluter över nanokristall-glasgränssnittet orsakar en strukturell omarrangering i glasmatrisen.
Interaktionen öppnar upp utrymme inuti glaset, så att laddningen lättare kan flyttas in och ut. Bortom elektrokroma fönster, denna upptäckt antyder nya möjligheter för batterimaterial där transport av joner genom elektroder kan vara en utmaning.
Ett dubbelbands elektrokromt material har utvecklats genom att länka tenndopade indiumoxidnanokristaller till en amorf nioboxidmatris. Dessa nanokompositfilmer kan selektivt blockera synligt och nära-infrarött ljus, möjliggör energibesparingar i byggnader genom att dynamiskt styra dagsljus och solvärme genom fönster. Kredit:Anna Llordés, Delia Milliron och Creative Services, Lawrence Berkeley National Lab.
"Ur ett materialdesignperspektiv, vi har visat att du kan kombinera mycket olika material för att skapa nya egenskaper som inte är tillgängliga i ett homogent enfasmaterial, antingen amorf eller kristallin, genom att ta nanokristaller och lägga dem i glas, säger Milliron.
Men för Milliron, forskningsresan är ännu mer tillfredsställande än antingen grundläggande vetenskaplig upptäckt eller tekniska framsteg enbart.
"Den mest spännande delen har varit att ta det här projektet hela vägen från att syntetisera ett nytt material, att förstå det i detalj, och slutligen att förverkliga en helt ny funktionalitet som kan ha stor inverkan på tekniken, " säger Milliron. "Att ta ett materialutvecklingsprojekt hela vägen genom den processen är egentligen ganska anmärkningsvärt. Det talar verkligen om vad vi kan göra på Berkeley Lab, där du har tillgång till inte bara de vetenskapliga faciliteterna utan också till människor som kan informera ditt perspektiv."
