Благодаря новым материалам, позволяющим жителям помещений более точно контролировать прохождение энергии и солнечного света через окно, можно значительно снизить затраты на отопление и охлаждение зданий.
В 2013 году профессор химической инженерии Делия Миллирон и ее команда первыми разработали двухдиапазонные электрохромные материалы, в которых смешаны два материала с различными оптическими свойствами для избирательного управления видимым и выделяющим тепло ближним инфракрасным светом (NIR).
В выпуске журнала Nature за 2013 год исследовательская группа Миллирона продемонстрировала, как с помощью небольшого разряда электричества нанокристаллический материал можно переключать вперед и назад, обеспечивая независимое управление светом и энергией.
Теперь команда разработала два новых достижения в области электрохромных материалов — высокоселективный холодный режим и теплый режим, что еще несколько лет назад казалось невозможным.
Материал для холодного режима является важным шагом на пути к коммерческому выпуску продукта, поскольку он позволяет контролировать 90 процентов ближнего ИК-диапазона и 80 процентов видимого солнечного света, а переключение между режимами занимает всего несколько минут.
Материал, о котором сообщалось ранее, может занять несколько часов.
Для достижения этой высокой производительности Миллирон и его команда, в том числе постдокторант школы Кокрелла Чонвук Ким и соавтор Бретт Хелмс из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, разработали новую наноструктурированную архитектуру для электрохромных материалов, которая позволяет холодному режиму блокировать ближний инфракрасный свет, в то время как позволяя видимому свету светить сквозь. Это может помочь снизить затраты на электроэнергию для охлаждения зданий и домов летом. Исследователи сообщили о новой архитектуре в Nano Letters 20 июля.
«Мы считаем, что наш новый нанокомпозит с архитектурой можно рассматривать как модельный материал, устанавливающий идеальную конструкцию для двухполосного электрохромного материала», — сказал Миллирон. «Этот материал может быть идеальным для применения в качестве интеллектуального электрохромного окна для зданий."
В статье команда демонстрирует, как новый материал может сильно и выборочно модулировать видимый свет и ближнюю ИК-область спектра путем приложения небольшого напряжения.
Чтобы оптимизировать характеристики электрохромики для практического использования, команда организовала два компонента композитного материала, чтобы создать пористую взаимопроникающую сеть. Архитектура каркаса обеспечивает каналы для переноса электронных и ионных изменений. Такая организация позволяет значительно быстрее переключаться между режимами.
В настоящее время исследователи работают над получением нанокомпозитного материала с аналогичной структурой с помощью простых методов, подходящих для недорогого производства.
Во второй исследовательской работе Миллирон и ее команда, в том числе аспирант школы Кокрелл Клейтон Дальман, сообщили о проверке концепции, демонстрирующей, как они могут добиться свойств оптического контроля в окнах с помощью хорошо продуманной однокомпонентной пленки. Концепция включает в себя простое покрытие, которое создает новый теплый режим, в котором видимый свет может блокироваться, в то время как ближний инфракрасный свет может проникать. Эта новая настройка может быть наиболее полезной в солнечный зимний день, когда обитатель хочет, чтобы инфракрасное излучение проходило в здание для тепла, но чтобы уменьшить блики от солнечного света.
В этой статье, опубликованной в Журнале Американского химического общества, Миллирон доказал, что покрытие, содержащее один компонент ¬— легированные нанокристаллы диоксида титана — могут продемонстрировать динамический контроль над пропусканием солнечного излучения. Благодаря двум различным механизмам зарядки, обнаруживаемым при разных приложенных напряжениях, этот материал может выборочно блокировать видимое или инфракрасное излучение.
«Эти два достижения показывают, что возможно сложное динамическое управление солнечным светом», — сказал Миллирон. «Мы считаем, что наши специально созданные материалы на основе нанокристаллов могут соответствовать целевым показателям производительности и стоимости, необходимым для продвижения к коммерциализации интеллектуальных окон."