Новый "умный" материал переходит от нагрева к охлаждению за считанные минуты
Нова электрохромная технология позволяет создавать материалы, которые меняют цвет или непрозрачность при воздействии электричества. Она подробно описана в статье, опубликованной в журнале American Chemical Society Energy Letters.
«Мы продемонстрировали самое первое электрохромное устройство, которое может переключаться между солнечным нагревом и радиационным охлаждением», — заявил По-Чун Сюй, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Duke. «В нашем методе электрохромной настройки нет движущихся частей, и его можно настраивать непрерывно».
Умные окна из электрохромного стекла — это относительно новая технология, которая использует электрохромную реакцию для изменения стекла с прозрачного на непрозрачное и обратно в мгновение ока. Хотя существует множество подходов к созданию этого явления, все они включают размещение электрически чувствительного материала между двумя тонкими слоями электродов и пропускание между ними электрического тока. Хотя этот трюк достаточно сложно реализовать для видимого света, он становится еще более трудным, если также необходимо учитывать средний инфракрасный свет (лучистое тепло).
В статье Сюй и его аспирант Чэньси Суй демонстрируют устройство, которое взаимодействует с обоими спектрами света, переключаясь между режимами пассивного нагрева и охлаждения. В режиме обогрева устройство затемняется для поглощения солнечного света и предотвращения выхода среднего инфракрасного света. В режиме охлаждения затемненный слой, похожий на окно, очищается, одновременно открывая зеркало, которое отражает солнечный свет и позволяет среднему инфракрасному свету рассеиваться позади устройства.
Поскольку зеркало никогда не бывает прозрачным для видимого света, устройство не заменит окна в домах или офисах, но его можно использовать на других поверхностях здания.
«Очень сложно создать материалы, которые могут работать в обоих этих режимах», — отметил Сюй. «Наше устройство имеет один из самых больших диапазонов настройки теплового излучения, которые когда-либо демонстрировались на практике».
При разработке такого устройства необходимо было преодолеть две основные проблемы. Первой было создание электродных слоев, которые проводят электричество и прозрачны как для видимого света, так и для теплового излучения. Большинство проводящих материалов, таких как металлы, графит и некоторые оксиды, не соответствуют требованиям, поскольку эти два свойства противоречат друг другу, поэтому Хсу и Суй разработали свои собственные.
Исследователи начали со слоя графена толщиной в один атом, который, как они показали, слишком тонкий, чтобы отражать или поглощать свет любого типа. Но он также недостаточно проводящий, чтобы передавать количество электричества, необходимое устройству для работы в больших масштабах. Чтобы обойти это ограничение, Сюй и Суй добавили тонкую золотую сетку поверх графена, чтобы она действовала как магистраль для электричества. Хотя это несколько уменьшило способность графена пропускать свет беспрепятственно, компромисс был достаточно мал, чтобы того стоить.
Вторая задача заключалась в разработке материала, который мог бы проходить между двумя слоями электродов и переключаться между поглощением света и тепла или пропусканием их через них. Исследователи достигли этого, используя явление, называемое плазмоникой. Когда крошечные наноразмерные металлические частицы расположены всего в нанометрах друг от друга, они могут по существу улавливать свет с определенной длиной волны в зависимости от их размера и расстояния. Но в этом случае наночастицы случайным образом распределяются в кластеры, что приводит к взаимодействиям с широким диапазоном длин волн, что полезно для эффективного захвата солнечного света.
Во время испытаний электричество, проходящее через два электрода, вызвало образование металлических наночастиц возле верхнего электрода. Это не только затемняет устройство, но и заставляет все устройство поглощать и улавливать как видимый свет, так и тепло. При переключении, наночастицы снова растворились в жидком прозрачном электролите. Переход между двумя состояниями в текущей версии устройства занимает от минуты до двух.
