Le finestre intelligenti cambiano automaticamente la trasparenza quando viene applicata una tensione. Però, uno dei motivi per cui non sono più diffusi è che il polimero all'interno si espande e si restringe notevolmente ad ogni carica. I ricercatori della Purdue University hanno soprannominato questo effetto "respirazione meccanica".

"Dai nostri esperimenti, può espandersi fino al 30 percento in volume, " ha detto Xiaokang Wang, un dottorato di ricerca studente sotto Kejie Zhao, un assistente professore di ingegneria meccanica. "È una quantità enorme. Questi cicli di espansione-retrazione mettono a dura prova e sollecitano i materiali delle finestre. Causano la delaminazione degli strati della finestra, e poi la finestra intelligente non funziona."

L'articolo di Wang sulla "respirazione meccanica" è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Le finestre intelligenti sono disponibili in molte configurazioni diverse, ma i più diffusi sono chiamati dispositivi elettrocromici perché cambiano colore quando viene applicata una tensione. Sull'aereo Boeing 787 Dreamliner, Per esempio, i passeggeri possono regolare gradualmente la trasparenza dei loro finestrini utilizzando l'elettrocromica. Finestre simili sono ora disponibili per installazioni su larga scala negli edifici, programmato per scurirsi gradualmente nelle giornate di sole per ridurre i costi energetici.

Una tipica finestra intelligente elettrocromica ha cinque strati, con due elettrodi su entrambi i lati, uno strato di accumulo di ioni, uno strato elettrocromico, e un elettrolita nel mezzo. Jianguo Mei, assistente professore di chimica organica alla Purdue, aveva sperimentato diverse ricette chimiche per il materiale elettrocromico a film sottile al fine di migliorare l'affidabilità della finestra. Ma la struttura laminata di una finestra intelligente rende difficile lo studio dei singoli componenti durante il funzionamento; l'intero substrato a cinque strati ha uno spessore di soli 500 nanometri, meno dell'1% dello spessore di un capello umano.

Mei ha chiesto l'aiuto di Zhao per valutare le proprietà meccaniche del film su scala nanometrica. Zhao e Wang sono rimasti scioccati dai test iniziali.

"Il materiale si è espanso fino al 30% in volume, ma divenne anche metà elastico e metà duro, "Ha detto Wang.

Questa "respirazione meccanica" ha causato il raggrinzimento del materiale e la spinta verso l'alto contro gli altri strati del substrato. Gli strati esterni delaminati, impedendo agli elettroni di fluire e facendo smettere di funzionare il dispositivo elettrocromico.

"Nei nostri esperimenti con campioni non trattati, abbiamo riscontrato un guasto dopo soli 100 cicli, "Ha detto Wang.

Hanno iniziato a modificare e rafforzare il materiale di substrato dell'elettrodo, irruvidimento della superficie con nanoparticelle di silice. Questa maggiore affidabilità meccanica, sopravvivere fino a 8, 000 cicli. Ma non è abbastanza.

"Questi dispositivi devono essere in grado di resistere a più di 200, 000 cicli, " Wang ha detto. "Questo è un enorme divario!"

Wang e Zhao, insieme al gruppo di Mei nel Dipartimento di Chimica, stanno continuando i loro studi nella speranza che questi dispositivi elettrocromici possano essere resi più affidabili.

"Dai nostri esperimenti, stiamo costruendo nuovi modelli teorici, "Ha detto Wang. "Insieme a scienziati dei materiali e chimici, vogliamo trovare nuovi materiali, nuovi metodi di lavorazione dei materiali, e nuovi progetti meccanici per ottenere una durata di vita molto più elevata di questi dispositivi".

Le finestre intelligenti hanno il potenziale per risparmiare enormi quantità di energia, diventando una parte normale e affidabile delle case, uffici e veicoli. Ma fino a quando l'affidabilità non sarà migliorata, I ricercatori della Purdue continueranno il loro lavoro.

"Posso vedere un futuro in cui intere pareti saranno finestre intelligenti elettrocromiche, " Wang ha detto. "Le persone possono godersi la bella vita all'aria aperta riducendo allo stesso tempo il consumo di energia. È una vittoria per tutti!"