Группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала новый электрохимический способ быстро изменять прозрачность стекла. Под воздействием напряжения оно за несколько секунд становится тёмным и перестаёт пропускать свет. И наоборот, потом за несколько секунд можно вернуть исходное состояние. Для поддержания прозрачного или непрозрачного состояния не требуется энергия — только на изменение состояния.
По мнению авторов научной работы, эта технология потенциально может сэкономить электричество в помещениях, если в солнечные дни окна будут становиться непрозрачными, то снизится нагрев помещения и расходы на воздушное кондиционирование.
Учёные отмечают, что в настоящее время существует ряд альтернативных методов изменять прозрачность стекла, но их метод отличается скоростью и низким потреблением энергии.
Ведущий автор научной работы, профессор химии Массачусетского технологического института Мирча Динкэ (Mircea Dinca) объясняет, что в создании стёкол использовались электрохимические материалы, которые меняют цвет и прозрачность под воздействием напряжения. Они кардинально отличаются от фотохромных материалов, используемых в известных очках-хамелеонах, которые темнеют на свету. Фотохромные материалы реагируют гораздо медленнее и обладают невысокой степенью изменения прозрачности. От таких же ограничений страдают существующие электрохромные материалы, у которых весьма ограниченная сфера применения. Например, в самолётах «Боинг-787» иллюминаторы выполнены из электрохромного стекла. Они тоже темнеют при приложении напряжения, но процесс занимает несколько минут. Очевидно, это слишком долго.
Затемнение стекла
Осветление стекла
Длительность процесса смены состояния электрохромного стекла связана с тем, что требуется заполнение всего материала положительно заряженными ионами, под воздействием которых материал меняет цвет. Ионы двигаются относительно медленно — поэтому процесс идёт относительно долго.
Химики из Массачусетского технологического института преодолели это ограничение за счёт использования металл-органических каркасных структур (metal-organic framework, MOF), которые пропускают и электроны, и ионы на очень высокой скорости. Такие материалы уже несколько десятилетий применяют в промышленности. Например, они словно губка способны накапливать и хранить большое количество водорода. Применяют их как катализаторы и для других целей. Но группа исследователей из МТИ стала первой, кто использовал оптические свойства металл-органических каркасных структур.
Учёным удалось также решить проблему цветного оттенка тёмного стекла. Даже иллюминаторы в «Боинге-787» в тёмном состоянии на самом деле представляют собой тёмный оттенок зелёного цвета. Новые электрохимические стёкла меняют своё состояние от полностью прозрачного до почти полностью чёрного, который состоит из смеси зелёного и красного.
На физическом уровне материал состоит из двух компонентов: органического материала и соли металла. При смешивании они образуют плёнку материала, аналога MOF-74, но с возможностью оксислительно-восстановительных процессов. В зависимости от использования соли магния или никеля, это может быть Mg2(NDISA)(H2O)2]?2.4(H2O) (Mg-NDISA) или [Ni2(NDISA)(H2O)2]?4(H2O) (Ni-NDISA).
Кроме оконного стекла, новый материал может пригодиться в некоторых типах дисплеев, которые могут показывать изображение, не потребляя энергии, как электронные чернила.
Научная работа опубликована 11 августа 2016 года в журнале Chem (doi: 10.1016/j.chempr.2016.06.013).
Комментарии (45)
grayich
14.08.2016 21:43+1Нашим предкам этот вопрос удалось решить давным давно, называется карниз. Вынос карниза нужно расчитать так, чтобы в жаркий период тень перекрывала окно, а в холодный период солнце находится достаточно низко, чтобы карниз не мешал свету попадать в окно.
Затемнение стекла для жилой комнаты глупое дело, придётся в самое светлое время суток использовать искусственное освещение. А вот автолюбителям радость, электро-тонировка.
miha2
15.08.2016 04:35+2Особенно карниз будет очень хорошо смотреться, например, на зданиях в 60 или 100 этажей.
u1789
15.08.2016 08:30+1> окна, которые быстро меняют прозрачность
Нашим предкам давно удалось решить этот вопрос — ставни.
Ra-Jah
15.08.2016 09:55Тяжелые ставни защищали предков от зомби, а для затемнения вешали занавеси. Просто хочется футуристического элегантного решения, живем в будущем, а окна зашториваем по старинке.
mayorovp
15.08.2016 09:19Неплохое решение для тех, чьи окна выходят на южную сторону. Но что делать тем, у кого окна выходят на запад?
dipsy
15.08.2016 09:59+1Не столь далекие предки изобрели ещё такое чудо под названием «жалюзи», есть даже продвинутые высокотехнологичниые модели жалюзей с приводом от электромоторчика. Я думаю если вложить в разработку ещё 2-3 миллиона рублей можно добиться невозможного на первый взгляд эффекта автоматического закрытия и открытия жалюзей при изменении отвещенностии.
kernel24
14.08.2016 22:23+2И как это стекло будет на нагрев реагировать? Когда оно станет черным, будет неслабо греться.
И вот интересно, жки в размер окна и поставить, эффект тот-же.
И время реакции мгновенное почти.
Greendq
14.08.2016 22:33+3ЖКИ в размер окна будет стоить как половина крыла от самолёта :) Нынешние электрохромные плёнки стоят около килобакса за квадратный метр, ЕМНИП.
VDG
14.08.2016 23:02+1На солнце от тёмных стёкл от окон жар пойдёт. Нужны стёкла, которые только ИК-излучение отражают.
allcreater
15.08.2016 12:48Но видимого света ведь дофига, и он тоже энергию в дом занесет :)
А вообще, конечно, лучше бы действительно отражать, а не поглощать…
Keyten
14.08.2016 23:34К слову, МТИ и MIT — это же одно и то же, верно? МТИ — это официальный перевод?
Читал Фейнмана, и очень уж это смущало, ибо привык называть «мит».
Meklon
14.08.2016 23:50+2Массачусетский Технологический Институт. А что не так?
Keyten
14.08.2016 23:58+2Ну да. Институт MIT. Лицензия MIT. «Разработали в MIT». Так и привык называть «мит»-ом. Название же МТИ я узнал примерно на 4 года позже, и это оказалось очень непривычно.
ProVal
15.08.2016 02:06+2Massachusetts Institute of Technology. MIT.
Массачусетский Институт Технологий. МИТ.
k0ldbl00d
15.08.2016 05:35А чем это отличается от уже существующих технологий, используемых в самозатемняющихся зеркалах заднего вида в автомобилях?
CheeseMaster
15.08.2016 08:30В автомобиле стоит зеркало с двумя отражающими поверхностями — тонированной и обычной. В зависимости от освещенности выбирается одна из них. В бюджетных авто это действие вообще вручную надо делать, щелкая тумблером.
VenomBlood
16.08.2016 06:49Странно, у меня когда включается/выключается затемнение — оно плавно «заполняет» зеркало и потом при выключении со временем как бы «рассасывается» от краев к центру.
AlAnSa
15.08.2016 08:26+1Идеальная тонировка для авто, между прочим.
Ghost_nsk
15.08.2016 10:07Для авто такую вряд ли будут использовать. Для авто преимущество стекла «для поддержания прозрачного или непрозрачного состояния не требуется энергия» как раз недостаток, если что то пойдет не так, стекло может остаться не прозрачным, что так себе для безопасности.
Широко используемые сейчас «электрохром» зеркала, при отключении питания убирают затемнение, думаю без этого их бы не сертифицировали.
HiMem-74
15.08.2016 09:26+1> Например, в самолётах «Боинг-787» иллюминаторы выполнены из электрохромного стекла. Они тоже темнеют при приложении напряжения, но процесс занимает несколько минут. Очевидно, это слишком долго.
Ну вот совершенно неочевидно. Солнце у нас мгновенно не всходит и мгновенно не заходит. Все на работу ушли — умный дом окна затемнил, экономит электричество на кондиционировании. А вообще есть решение гораздо проще, рольставни-блэкаут. Я себе поставил — очень доволен, днем поспать в темноте можно.
Для автомобилей, например, при постановке на сигнализацию хорошо бы окна затемнить, тут время не критично. А вот при снятии хотелось бы побыстрее поехать, это да.
potan
15.08.2016 10:34Несколько секунд — это не быстро. В автомобильных стеклах и очках для зыщиты от ослепления неожиданными вспышками не применишь.
Ogoun
15.08.2016 13:12В детстве, кажется в Технике Молодежи, читал про окна где используется жидкость с возможностью поляризации, залитая между двух стекол, соответственно пока нет тока, — прозрачно, подали ток — непрозрачное. Работает быстро, и дешево.
ftdgoodluck
16.08.2016 13:29Решить проблему теплового сжатия/расширения, и можно в стеклопакеты заливать
Inotsacred
15.08.2016 13:25Я видел подобное на автомобильной выставке года так 4 назад в СПб.
Была электро-тонировка на машине, степень прозрачности регулировалась крутилкой. Стоимость мне назвали на два стекла 150к рублей.
Tiberius
15.08.2016 20:04У меня есть несколько замечаний:
1. В тексте оригинальной работы приводятся графики поглощения, которое довольно «полосчатое» даже в видимом спектре. То есть то, что мы видим, как чёрное — на самом деле, перекрытие нескольких полос в спектре. Примерно, как анти-LED лампа.
2. Чем это лучше/хуже обычных электрохромных стёкол? Мне кажется, что фокус перевода смещён, ибо ценность метода — электро-самосборка MOF.
3. Поглощение выше 700-800 нм вообще отсутствует, а это значит, что применять, как замену кондиционеру бессмысленно, ибо помещение греется за счёт ИК, который по-хорошему могут эфыективно отражать, а не поглащать лишь металлы. Мы, кстати, чем-то подобным занимаемся.
AccessGranted
16.08.2016 12:18Из ДВС уже выжали, наверное, все что можно было выжать. Просто нужен вау-эффект, чтобы покупатели знали за что платят деньги.
BubaVV
16.08.2016 22:51Электрохромия давно известна и довольно проста. В статье лишь предложили очередной материал. В любом случае, нужен стеклопакет, залитый электролитом.
Garbus
Ну осталось еще выяснить ресурс и стоимость. А то прозрачные электроды штука вроде не дешевая, не будет ли окно по цене телевизора?
handicraftsman
Ждём монохромных ЖК
Siper
Если окно будет всего лишь по цене телевизора, то миллионы любителей тонировки выстроятся в очередь.
gkvert
Телевизоры разные бывают. Узнайте к примеру по чем продают 110 дюймовые 4к телевизоры самсунг. Очередь сильно прорядится…
Bedal
а зачем там вообще разрешение? ЖК-затемнители неплохо известны, например, по сварочным маскам. И на автомобилях из не самых дешёвых такой тюнинг тоже делают.
Массового распространения нет из-за чувствительности к нагреву/охлаждению.
Хотя, представляю себе плёнки, которые позволят на стекле делать переключаемый рисунок… явно же у такого прикола будет рынок.
beaverBox
Ну, любители тонировки пока не катаются на вагонах РЖД…
kolipass
Так давно есть готовое решение: правляемая электротонировка Smart Glass Vario Plus. Стоит ~1000$
Garbus
Даже по цене телевизора, рынок скорее будет миллиардным, при хороших характеристиках конечно. Вот только в моем окне, оно появится не скоро. Как и у большей части остальной застройки, не имеющей статус «элитной».