美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员设计了一种新材料,使智能窗户更加智能。该材料是嵌入在玻璃中的纳米晶体的薄涂层,其可以在阳光穿过窗口时动态地改变阳光的强度。
与现有技术不同,涂层独立地提供对可见光和产生热的近红外(NIR)光的选择性控制,因此窗户可以在一定范围的气候中最大限度地节省能量,提高空间的舒适度。现有的“智能窗口”可以在透明和不透明之间切换,但却没有办法做到在可见光和红外光之间切换。
全所未有的节能门窗
“在美国,我们花费了大约四分之一的总能量用于照明,加热和冷却我们的建筑,”伯克利实验室的分子铸造厂的化学家Delia Milliron说,他领导了这项研究。 “当用作窗户涂层时,我们的新材料可以对建筑节能有重大影响。
Milliron的研究小组已经因其智能门窗技术而闻名,它阻挡NIR而不阻挡可见光。该技术依赖于电致变色效应:小的电冲击将材料在NIR传输和NIR阻断状态之间切换。
这项新工作通过提供对可见光和近红外光的独立控制,使他们的方法更上一层楼。该创新最近获得了2013年R&D大奖,而如今这项技术已经初步进入商业化的早期阶段。
嵌入在氧化铌(绿色)的玻璃状基体中的氧化铟锡(蓝色)的纳米晶体形成复合材料(右侧 – 铌原子位于绿色八面体的中心,氧原子为红色,铟原子为蓝色)。该材料可以在红外透射和红外阻挡状态之间切换,具有小的电力(信用:Lawrence Berkeley National Laboratory)
节能和照明的和谐
对NIR光的独立控制意味着通过简单地按下按钮或轻拂开关(以在2.5伏的范围内改变所施加的电化学电压),房主就可在室内享受到自然光照却又能隔绝高温,从而减少空调和人工照明的能源消耗。同时,窗口本身可以切换到暗模式,阻挡光和热,或者到明亮的,完全透明的模式。
与Milliron合作的项目科学家Llordés说:“我们对独特的光学功能与低成本和环保的处理技术的结合感到非常兴奋。 “这就是将”通用智能窗“概念转变为有市场竞争力的技术。
它们的技术的核心是一种新的电致变色材料,其由嵌入在铌氧化物的玻璃状基体中的氧化铟锡的纳米晶体制成。所得复合材料组合两种不同的功能 – 一种提供对可见光的控制,另一种控制NIR。
研究人员在微小区域发现了协同相互作用,其中玻璃状基质与纳米晶体相交,增加了电致变色效应的效力,这意味着它们可以使用更薄的涂层而不损害性能。关键是原子跨纳米晶体 – 玻璃界面连接的方式导致玻璃基质中的结构重排。相互作用打开了玻璃内的空间,允许电荷更容易地移入和移出。这一发现也提示了电池材料的新机会,其中离子通过电极的传输可能是一个挑战。