I nanocristalli di ossido di indio e stagno (mostrato qui in blu) incorporati in una matrice vetrosa di ossido di niobio (verde) formano un materiale composito che può passare da uno stato di trasmissione NIR a uno stato di blocco NIR con una piccola scossa di elettricità. Un'interazione sinergica nella regione in cui la matrice vetrosa incontra il nanocristallo aumenta la potenza dell'effetto elettrocromico. Credito:Berkeley Lab
I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno progettato un nuovo materiale per rendere le finestre intelligenti ancora più intelligenti. Il materiale è un sottile rivestimento di nanocristalli incorporati nel vetro in grado di modificare dinamicamente la luce solare mentre passa attraverso una finestra. A differenza delle tecnologie esistenti, il rivestimento fornisce un controllo selettivo sulla luce visibile e sulla luce del vicino infrarosso (NIR) che produce calore, così le finestre possono massimizzare sia il risparmio energetico che il comfort degli occupanti in un'ampia gamma di climi.
"Negli Stati Uniti, spendiamo circa un quarto della nostra energia totale per l'illuminazione, riscaldare e raffreddare i nostri edifici, "dice Delia Milliron, un chimico della Molecular Foundry di Berkeley Lab che ha guidato questa ricerca. "Quando viene utilizzato come rivestimento per finestre, il nostro nuovo materiale può avere un impatto importante sull'efficienza energetica degli edifici".
Milliron è l'autore corrispondente di un articolo che descrive i risultati della rivista Natura . Il documento è intitolato, "Trasmittanza della luce visibile e del vicino infrarosso sintonizzabile in compositi di nanocristalli in vetro, " co-autore di Anna Llordés, Guillermo Garcia, e Jaume Gazquez.
Il gruppo di ricerca di Milliron è già noto per la sua tecnologia smart-window che blocca il NIR senza bloccare la luce visibile. La tecnologia fa perno su un effetto elettrocromico, dove una piccola scossa di elettricità commuta il materiale tra gli stati di trasmissione NIR e di blocco NIR. Questo nuovo lavoro porta il loro approccio al livello successivo fornendo un controllo indipendente sia sulla luce visibile che su quella NIR. L'innovazione è stata recentemente riconosciuta con un premio R&D 100 2013 ei ricercatori sono nelle prime fasi della commercializzazione della loro tecnologia.
Un materiale elettrocromico a doppia banda è stato sviluppato collegando nanocristalli di ossido di indio drogato con stagno a una matrice di ossido di niobio amorfo. Questi film trasparenti sono in grado di bloccare la radiazione solare in modo controllato, consentendo la modulazione selettiva e dinamica della luce diurna e del calore solare attraverso le finestre. Credito:Anna Llordés, Lawrence Berkeley National Lab.
Il controllo indipendente della luce NIR significa che gli occupanti possono avere illuminazione naturale all'interno senza guadagno termico indesiderato, riducendo la necessità sia di aria condizionata che di illuminazione artificiale. La stessa finestra può anche essere commutata in modalità oscura, bloccando sia la luce che il calore, o ad un luminoso, modalità completamente trasparente.
"Siamo molto entusiasti della combinazione di una funzione ottica unica con la tecnica di lavorazione a basso costo e rispettosa dell'ambiente, " disse Llordés, uno scienziato di progetto che lavora con Milliron. "Questo è ciò che trasforma questo concetto di 'finestra intelligente universale' in una promettente tecnologia competitiva".
Al centro della loro tecnologia c'è un nuovo materiale elettrocromico "designer", costituito da nanocristalli di ossido di indio e stagno incorporati in una matrice vetrosa di ossido di niobio. Il materiale composito risultante combina due funzionalità distinte:una che fornisce il controllo sulla luce visibile e l'altra, controllo su NIR, ma è più della somma delle sue parti. I ricercatori hanno scoperto un'interazione sinergica nella piccola regione in cui la matrice vetrosa incontra il nanocristallo che aumenta la potenza dell'effetto elettrocromico, il che significa che possono utilizzare rivestimenti più sottili senza compromettere le prestazioni. La chiave è che il modo in cui gli atomi si connettono attraverso l'interfaccia nanocristallo-vetro provoca un riarrangiamento strutturale nella matrice di vetro.
L'interazione apre lo spazio all'interno del vetro, permettendo alla carica di entrare e uscire più facilmente. Oltre le finestre elettrocromiche, questa scoperta suggerisce nuove opportunità per i materiali delle batterie in cui il trasporto di ioni attraverso gli elettrodi può rappresentare una sfida.
Un materiale elettrocromico a doppia banda è stato sviluppato collegando nanocristalli di ossido di indio drogato con stagno a una matrice di ossido di niobio amorfo. Questi film nanocompositi possono bloccare selettivamente la luce visibile e nel vicino infrarosso, consentendo risparmi energetici negli edifici controllando dinamicamente la luce diurna e il calore solare attraverso le finestre. Credito:Anna Llordés, Delia Milliron e Servizi Creativi, Lawrence Berkeley National Lab.
"Dal punto di vista del design dei materiali, abbiamo dimostrato che è possibile combinare materiali molto dissimili per creare nuove proprietà che non sono accessibili in un materiale monofase omogeneo, amorfo o cristallino, prendendo nanocristalli e mettendoli in vetro, "dice Millon.
Ma per Million, il viaggio di ricerca è ancora più soddisfacente della scoperta scientifica di base o dei soli progressi tecnologici.
"La parte più eccitante è stata portare questo progetto dalla sintesi di un nuovo materiale, per comprenderlo nei minimi dettagli, e infine alla realizzazione di una funzionalità completamente nuova che possa avere un grande impatto sulla tecnologia, " dice Milliron. "Portare un progetto di sviluppo dei materiali fino all'intero processo è davvero notevole. Parla davvero di ciò che possiamo fare al Berkeley Lab, dove hai accesso non solo alle strutture scientifiche ma anche a persone che possono informare il tuo punto di vista."
