Инженеры из Университета Дьюка разработали интеллектуальную оконную технологию, которая с помощью переключателя может переключаться между сбором тепла от солнечного света и охлаждением объекта. Такой подход может потенциально сократить потребление энергии почти на 20%.

«Мы продемонстрировали самое первое электрохромное устройство, которое может переключаться между солнечным нагревом и охлаждением», - сказал По-Чун Сюй, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Duke. «В нашем методе электрохромной настройки нет движущихся частей, и его можно непрерывно настраивать».

Умные окна из электрохромного стекла - это относительно новая технология, которая использует электрохромную реакцию для изменения стекла с прозрачного на непрозрачное и обратно. Хотя существует множество подходов к созданию этого явления, все они включают размещение электрически чувствительного материала между двумя тонкими слоями электродов и пропускание между ними электрического тока. 

Сюй и его аспирант Чэньси Суй продемонстрировали тонкое устройство, которое взаимодействует с обоими спектрами света, переключаясь между режимами пассивного нагрева и охлаждения. В режиме обогрева устройство затемняется для поглощения солнечного света и предотвращения выхода среднего инфракрасного света. В режиме охлаждения затемненный слой, похожий на окно, очищается, одновременно открывая зеркало, которое отражает солнечный свет и позволяет рассеиваться среднему инфракрасному свету позади устройства.

Поскольку зеркало никогда не бывает прозрачным для видимого света, устройство не заменит окна в домах или офисах, но его можно использовать на других поверхностях здания.

«Очень сложно создать материалы, которые могут работать в обоих этих режимах», - сказал Сюй. «Наше устройство имеет один из самых больших диапазонов настройки теплового излучения, когда-либо продемонстрированных».

При разработке такого устройства необходимо было преодолеть две основные проблемы. Первым было создание электродных слоев, которые проводят электричество и прозрачны как для видимого света, так и для теплового излучения. Большинство проводящих материалов, таких как металлы, графит и некоторые оксиды, не подходят для этого, поскольку эти два свойства противоречат друг другу, поэтому Хсу и Суй разработали свои собственные.

Исследователи начали со слоя графена толщиной в один атом, который, как они показали, слишком тонкий, чтобы отражать или поглощать свет любого типа. Но он также недостаточно проводящий, чтобы передавать количество электричества, необходимое устройству для работы в больших масштабах. Чтобы обойти это ограничение, Сюй и Суй добавили тонкую золотую сетку поверх графена, чтобы она действовала как магистраль для электричества. Хотя это несколько снизило способность графена пропускать свет беспрепятственно, компромисс был достаточно мал, чтобы того стоить.

Вторая задача заключалась в разработке материала, который мог бы проходить между двумя слоями электродов и переключаться между поглощением света и тепла. Исследователи достигли этого, используя явление, называемое плазмоникой. Когда крошечные наноразмерные металлические частицы расположены всего в нанометрах друг от друга, они могут улавливать свет с определенной длиной волны в зависимости от их размера и расстояния. Но в этом случае наночастицы случайным образом распределяются в кластеры, что приводит к взаимодействиям с широким диапазоном длин волн, что полезно для эффективного захвата солнечного света.

В демонстрации электричество, проходящее через два электрода, вызывает образование металлических наночастиц возле верхнего электрода. Это не только затемняет устройство, но и заставляет все устройство поглощать и улавливать как видимый свет, так и тепло. А когда электрический поток меняется на противоположное, наночастицы снова растворяются в жидком прозрачном электролите. Переход между двумя состояниями занимает минуту или две.

«Устройство будет проводить много часов в том или ином состоянии в реальном мире, поэтому потеря нескольких минут эффективности во время перехода - это просто капля в море», - сказал Сюй.