Новое окно в «умное» стекло

От фиксации костей до изготовления антибактериальных поверхностей,Майкл Алленбеседует с исследователями, создающими стекло, обладающее дополнительной функциональностью и производительностью

Стекло повсеместно встречается в повседневной жизни. Будучи очень прозрачным, стабильным и долговечным, он является важным материалом для множества применений: от простых окон до сенсорных экранов наших новейших гаджетов и фотонных компонентов для высокотехнологичных датчиков.

Наиболее распространенные стекла изготавливаются из кремнезема, извести и соды. Но на протяжении веков в стекло добавляли дополнительные ингредиенты, чтобы придать ему такие свойства, как цвет и термостойкость. И исследователи все еще работают над стеклом, стремясь придать ему дополнительную функциональность и улучшить его характеристики для конкретных задач, создавая все более высокотехнологичное стекло и то, что можно назвать «умным» стеклом.

Умные материалы нелегко определить, но в целом они предназначены для того, чтобы определенным образом реагировать на внешние раздражители. Что касается стекла, наиболее очевидным «умным» применением являются окна – в частности, контроль количества света, проходящего через стекло. Таким образом, мы можем повысить энергоэффективность любого здания: снизить жару летом и сохранить тепло в холодную погоду.

Цвет или непрозрачность некоторых умных стекол можно изменить, приложив к материалу напряжение, тем самым изменяя определенные оптические свойства, такие как поглощение и отражение, обратимым образом. Такие «электрохромные» умные окна могут по требованию контролировать пропускание определенных частот света, например ультрафиолетового или инфракрасного, или даже полностью блокировать их. Применение этой технологии популярно не только в зданиях, но и в электронных дисплеях и тонированных стеклах автомобилей.

Действительно, электрохромные окна опережают другие технологии в этой области и уже коммерциализированы. Но, несмотря на хорошую работу, у них есть некоторые очевидные недостатки. Они довольно сложны и дороги, и для их модернизации старых зданий обычно требуется установка новых окон, оконных рам и электрических соединений. Они также не автоматические – их нужно включать и выключать.

Чтобы решить некоторые из этих проблем, исследователи работают над термохромными окнами, которые вызываются изменениями температуры, а не напряжения. Большим преимуществом является то, что они пассивны: после установки их свойства изменяются в зависимости от температуры окружающей среды, без необходимости вмешательства человека. Преобладающим методом создания таких термохромных окон является нанесение на стекло покрытия из диоксида ванадия (Joule 10.1016/j.joule.2018.06.018), но можно использовать и другие материалы, например перовскиты (J. App. Energy).254 113690). Эти материалы претерпевают фазовый переход, становясь более или менее прозрачными при изменении температуры, и этот эффект можно настроить для разных условий.

Хотя диоксид ванадия обещает многообещающее применение в сфере «умных окон», существуют препятствия, которые необходимо преодолеть. Из-за сильной абсорбции диоксид ванадия дает неприятный коричнево-желтый оттенок, и необходимы дальнейшие исследования по устойчивости к воздействию окружающей среды (Adv. Manuf.6 1). Недавний обзор также показывает, что, хотя эти технологии могут обеспечить значительную экономию энергии, необходимы дополнительные исследования их использования и влияния в реальных условиях. Например, было обнаружено, что энергетические характеристики термохромных окон сильно различаются в разных городах, где используется один и тот же тип пленки, но гораздо меньше – между разными типами пленок, используемыми в одном и том же городе (J. App. Energy).255113522).

Но высокотехнологичное стекло не заканчивается умными окнами. Исследователи обнаружили, что добавление в стекло большего количества необычных металлов может помочь защитить солнечные панели и сделать их более эффективными (см. вставку «Улучшение фотоэлектрического защитного стекла»). Между тем, биоактивное стекло может помочь нам заново вырастить кость и другие ткани (см. вставку «Фиксация костей и других тканей»), а новые процессы травления могут позволить нам придать стеклу множество функций без необходимости нанесения поверхностных покрытий (см. вставку «Антибликовое покрытие»). , самоочищающийся и антибактериальный). И хотя это не традиционные оптические очки, новые материалы с фазовым переходом могут помочь создать более легкие и компактные оптические системы (см. вставку «Немеханическое управление светом»). Наконец, стекло однажды сможет самовосстанавливаться (см. вставку «Бессмертное стекло»).