Le finestre intelligenti che cambiano automaticamente i colori a seconda dell'intensità della luce solare stanno attirando l'attenzione in quanto possono ridurre le bollette energetiche bloccando i raggi visibili del sole durante l'estate. Ma che dire delle finestre che cambiano colore a seconda dell'umidità esterna durante la stagione dei monsoni o nelle calde giornate estive?

Recentemente, un team di ricerca coreano ha sviluppato la tecnologia di origine per finestre intelligenti che cambiano colore in base alla quantità di umidità, senza bisogno di elettricità.

Il gruppo di ricerca congiunto composto dal professor Junsuk Rho dei dipartimenti di ingegneria meccanica e chimica, Jaehyuck Jang e Aizhan Ismukhanova del dipartimento di ingegneria chimica di POSTECH, e il professor Inkyu Park del dipartimento di ingegneria meccanica della KAIST. Insieme, hanno sviluppato con successo un filtro a colore variabile utilizzando una struttura di risonatore metallo-idrogel-metallo utilizzando un idrogel a base di chitosano e l'hanno combinato con celle solari per creare un sensore di umidità autoalimentato. Questi risultati della ricerca sono stati pubblicati come storia di copertina nell'ultima edizione di Materiali ottici avanzati , una rivista specializzata in nanoscienze e ottica.

I sensori che utilizzano la luce sono già ampiamente utilizzati nella nostra vita quotidiana nella misurazione dell'ECG, qualità dell'aria, o distanza, Per esempio. Il principio di base è utilizzare la luce per rilevare i cambiamenti nell'ambiente circostante e convertirli in segnali digitali.

L'interferenza Fabri-Pero è uno dei fenomeni di risonanza che possono essere applicati nei sensori ottici e possono essere materializzati sotto forma di film sottili multistrato di metallo-dielettrico-metallo. È noto che la lunghezza d'onda di risonanza della luce trasmessa può essere controllata in funzione dello spessore e dell'indice di rifrazione dello strato dielettrico. Però, i risonatori metallo-dielettrico-metallo esistenti hanno il grande svantaggio di non essere in grado di controllare le lunghezze d'onda della luce trasmessa una volta fabbricati, rendendo difficile il loro utilizzo in sensori variabili.

Il team di ricerca ha scoperto che quando il chitosano idrogel viene trasformato nella struttura metallo-idrogel-metallo, la lunghezza d'onda di risonanza della luce trasmessa cambia in tempo reale a seconda dell'umidità dell'ambiente. Questo perché l'idrogel di chitosano ripete l'espansione e la contrazione mentre l'umidità cambia intorno ad esso.

Utilizzando questo meccanismo, il team ha sviluppato un sensore di umidità in grado di convertire l'energia della luce in elettricità combinando una batteria solare con un filtro a lunghezza d'onda variabile dell'acqua costituito da un metamteriale strutturato metallo-idrogel-metallo che cambia la lunghezza d'onda di risonanza a seconda dell'umidità esterna.

Il principio di progettazione consiste nel sovrapporre la lunghezza d'onda di risonanza del filtro alla lunghezza d'onda in cui l'assorbimento delle celle solari cambia rapidamente. Questo filtro è progettato per modificare la quantità di assorbimento della luce delle celle solari a seconda della quantità di umidità, e portare a cambiamenti elettrici che alla fine rilevano l'umidità circostante.

A differenza dei sensori di umidità ottici convenzionali, questi di nuova concezione funzionano indipendentemente dal tipo di luce, sia che sia naturale, LED o da interno. Anche, non solo funziona senza alimentazione esterna, ma può anche prevedere l'umidità in base al colore del filtro.

Il professor Junsuk Rho che ha guidato la ricerca ha commentato, "Questa tecnologia è una tecnologia di rilevamento che può essere utilizzata in luoghi come i reattori nucleari dove le persone e l'elettricità non possono raggiungere". Ha aggiunto, “Si creerà una sinergia ancora maggiore se abbinata a tecnologie IoT come sensori di umidità che si attivano o finestre intelligenti che cambiano colore in base al livello di umidità esterna”.