"Smart glas, "en energieffektiv produkt som finns i nyare fönster på bilar, byggnader och flygplan, växlar långsamt mellan genomskinlig och tonad med en knapptryckning.

"Långsamt" är det operativa ordet; typiskt smart glas tar flera minuter att nå sitt mörknade tillstånd, och många cykler mellan ljust och mörkt tenderar att försämra färgningskvaliteten med tiden. Colorado State University kemister har utarbetat en potentiellt stor förbättring av både hastigheten och hållbarheten hos smart glas genom att ge en bättre förståelse för hur glaset fungerar på nanoskala.

De erbjuder en alternativ design i nanoskala för smart glas i ny forskning publicerad 3 juni Proceedings of the National Academy of Sciences . Projektet startade som en övning för att skriva anslag för doktoranden och första författaren R. Colby Evans, vars idé – och passion för kemin av färgskiftande material – förvandlades till ett experiment som involverade två typer av mikroskopi och anlitade flera medarbetare. Evans får råd av Justin Sambur, biträdande professor vid Institutionen för kemi, som är tidningens seniorförfattare.

Det smarta glaset som Evans och kollegor studerade är "elektrokromiskt, " som fungerar genom att använda en spänning för att driva litiumjoner in i och ut ur tunna, klara filmer av ett material som kallas volframoxid. "Du kan se det som ett batteri du kan se igenom, ", sa Evans. Typiska volframoxid-smarta glaspaneler tar 7-12 minuter att växla mellan klara och tonade.

Nanopartiklar nyanser snabbare

Forskarna studerade specifikt elektrokroma nanopartiklar av volframoxid, som är 100 gånger mindre än bredden på ett människohår. Deras experiment visade att enskilda nanopartiklar, av sig själva, nyans fyra gånger snabbare än filmer av samma nanopartiklar. Det beror på att gränssnitt mellan nanopartiklar fångar litiumjoner, saktar ner toningsbeteendet. Över tid, dessa jonfällor försämrar också materialets prestanda.

För att stödja deras påståenden, forskarna använde ljusfältstransmissionsmikroskopi för att observera hur nanopartiklar av volframoxid absorberar och sprider ljus. Att göra prov "smart glas, " de varierade hur mycket nanopartikelmaterial de placerade i sina prover och såg hur färgningsbeteendena förändrades när fler och fler nanopartiklar kom i kontakt med varandra. De använde sedan svepelektronmikroskopi för att få bilder med högre upplösning av längden, bredd och avstånd mellan nanopartiklarna, så att de kunde berätta, till exempel, hur många partiklar samlades, och hur många som var utspridda.

Baserat på deras experimentella resultat, författarna föreslog att prestanda hos smart glas skulle kunna förbättras genom att göra ett nanopartikelbaserat material med optimalt åtskilda partiklar, för att undvika jonfångande gränssnitt.

Andra applikationer

Deras bildteknik erbjuder en ny metod för att korrelera nanopartikelstruktur och elektrokroma egenskaper; förbättring av smarta fönsterprestanda är bara en applikation som kan bli resultatet. Deras tillvägagångssätt kan också vägleda tillämpad forskning inom batterier, bränsleceller, kondensatorer och sensorer.

"Tack vare Colbys arbete, vi har utvecklat ett nytt sätt att studera kemiska reaktioner i nanopartiklar, och jag förväntar mig att vi kommer att utnyttja detta nya verktyg för att studera underliggande processer inom ett brett spektrum av viktiga energitekniker, sa Sambur.