波音民用飞机公司787机型的窗玻璃使用的正是电致变色质地,其用处比现行市情上选拔了其他技能的玻璃要多广大

近日麻省理工学院的研究人员发明了一种新型玻璃,这种窗玻璃能够从透明变成深色,它能够在炎热的天气阻挡阳光,从而减少空调支出、节省能源。

炎炎夏日,当我们从露天停车场取车时,开车门的一瞬间就会被袭来的热浪所“震慑”住,这时我们通常都会将空调开到最大,并把车门或车窗全部打开。这既耽误了时间,又浪费了汽油。有没有一种方法可以杜绝这种情况发生呢?

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智能玻璃已经诞生了几十年,但它的价格仍然相当昂贵,并且只能在一些小众的市场上应用,例如新型波音客机的窗户就采用了这种玻璃。但一种新型电致变色窗户玻璃可以根据电子电荷的增加或减少而发生颜色变化,其用途比现在市场上采用了其他技术的玻璃要多很多,而且价格也能更便宜。

虽然其他让玻璃变深色的技术也已存在,但是这种新方法的显着优势在于其快速反应能力和较少的能量需求。一旦玻璃由浅变深,这种新系统就几乎不需要能量来保持新状态。和其他材料不同,它只在状态转变的过程中需要消耗电力。这些结果发表于在线期刊《化学》上。

目前,市售的玻璃材料只能阻挡阳光的可见光部分,不可见的近红外光能够顺利通过,而这一部分却是产生热量的“大户”。这种新型玻璃是由以Delia
Milliron为首的科研人员开发,她是得克萨斯大学的化学工程教授,这种玻璃可以选择性地阻止可见光以及产生热量的不可见光。它的性能现在已经足够优秀,并计划基于这些最新的研究来建立原型生产线。

这项新发现使用的是电致变色材料。这篇论文的作者MIT化学教授米尔恰·丁加解释道,这种材料在施加电压的情况下会改变颜色和透明度。它们和那些在阳光下变成深色的太阳眼镜中用到的光致变色材料很不同。光致变色材料的反应时间更长,而且透明度的改变并不大。

这种智能玻璃的关键技术在于,它的“框架”是由导电的纳米晶体材料制成,并嵌入在玻璃材料中。纳米晶体和玻璃材料具有不同的光学特性,其中当所述材料被电子充电或放电后,材料会发生改变。纳米晶体能够阻挡近红外光,也可以根据需要使其通过,而玻璃材料则可在透明状态和阻挡可见光状态间进行转换。

波音民用飞机公司787机型的窗玻璃使用的正是电致变色质地,其用处比现行市情上选拔了其他技能的玻璃要多广大。现有的电致变色材料的缺陷也较类似,应用范围很有限。比如,波音787机型的窗玻璃采用的就是电致变色材料,它们能变深色防止强烈的阳光照射到客舱内。丁加说,当通电时这种窗玻璃就能变深,但是“如果你把电源打开,它需要好几分钟才会变深。显然你肯定希望这个速度更快一些”。

这种“纳米复合材料”能阻隔高达90%的近红外光以及80%的可见光,而且除了标准的亮暗模式以外,它还拥有能够降温的特点,给高楼大厦装上它就能在炎炎夏日节省能源。这种玻璃材料的模式切换仅需短短几分钟,比目前已知的任何商业化电致变色玻璃材料都要快。加之更加便宜的价格,以及更可靠的制造工艺,这种材料有望走向主流。

而现有电致变色材料变色速度缓慢的原因是,材料内部的变化依赖的是电子的运动,电流使整个窗玻璃带负电。带正电的离子穿越材料来恢复电平衡,正是它们产生了变色效应。不过,虽然电子穿越材料的速度很快,离子的穿越速度却慢了许多,这就限制了整体的变色速度。

他们的制造方法被称为Heliotrope
Technologies,这种方法和现在的电致变色玻璃制造商所采用的完全不同,因为后者一直在与低产量所斗争。传统的制造技术依靠能源密集的工序,而Heliotrope
Technologies旨在通过在玻璃薄膜上镀层的解决方案来商业化,这种方法更快,并且需要更少的能量。

MIT的团队克服了这个问题,他们使用了一种类似于海绵的材料,叫做金属有机骨架化合物,它可以以高速传导电子和离子。这种材料已经使用了20年,因为它们能够在内部储存气体。不过MIT的团队首次利用了它们的电子和光学性质。

Milliron研发的技术其工作原理就像是一块充电电池。试想一下,设备开始时是透明,明亮的状态。施加一定量的电压后,就会为纳米晶体充电从而激活“开关”,这就可以让它完全吸收近红外光。如果该装置的充电时间足够长,玻璃材料也会开始带电,从而变暗。而中断充电后玻璃将会重新变回完全透明的状态。

丁加表示,现有自遮阳材料的其他问题在于,“很难让材料从全透明变成全黑。”即使是787机型上的窗玻璃也只能变成深绿色,并不能变成不透明。

在最新的演示中,Milliron和她的同事发现,将纳米晶体按照一个特定的架构进行排列,可以让电子和离子在玻璃材料和纳米晶体之间进行更快地移动,这意味着这种复合材料可以比以前快得多的速度在不同模式之间切换。他们表示,预计在2017年将把首款产品推向市场。

在之前对MOF材料进行的研究中,丁加和学生制造出了一种能从透明变成蓝色或绿色的材料。但是在最新的研究中,他们达到了长久以来追寻的目标,制造出了一种能够从全透明变成近乎黑色的涂料。新材料是用两种化合物制造的,一种是有机材料,另一种是金属盐。一旦两者被混合,它们就会自组装成一层薄薄的,能够变色的新材料。

Dinca表示,“正是这两种材料的组合让转换时间变快,并且让材料能够接近黑色。大家对此感到很兴奋。”

他说,这种新窗玻璃除了能够遮阳以外,还具有其他巨大的潜力。他说,在炎热的天气里,大幅降低有许多窗户的建筑物对空调的需求,“它们能够极大地节省能源。”“当太阳射入窗户时,你只需按一下开关,它就会变成黑色了”,它甚至能让整个建筑物的一边立即变黑。

现在这种材料的性质在实验室内已经得到了验证。该团队的下一个目标是用它来制造一个小型设备,进行进一步的测试,为投资者展示其工作原理,确定该窗玻璃的制造成本。

丁加表示,需要更多的测试,才能确认初步测试的结果——一旦打开开关,材料变色后,就不需要能量来维持新状态。不管现在的状态是透明还是不透明,在转换状态前,不需要再打开电源提供能量。而许多现有电致变色材料却需要持续电压才能维持状态。

丁加表示,除了智能窗玻璃以外,这种材料还能用来制造低功耗显示器,就像用电子墨水屏一样(用在类似于Kindle一类的设备中,它们用的也是MIT研发的技术),只不过使用的是完全不同的方法。关注查字典新闻网,查看更多名校趣闻。

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