Slimme ramen veranderen automatisch de transparantie wanneer er een spanning op staat. Echter, een reden waarom ze niet meer wijdverbreid zijn, is dat het polymeer binnenin dramatisch uitzet en krimpt bij elke lading. Purdue University-onderzoekers hebben dit effect 'mechanische ademhaling' genoemd.

"Van onze experimenten, het kan tot 30 procent in volume uitbreiden, " zei Xiaokang Wang, een doctoraat student onder Kejie Zhao, een assistent-professor werktuigbouwkunde. "Dat is enorm veel. Deze expansie-krimpcycli leggen een enorme druk op de materialen van de ramen. Het zorgt ervoor dat lagen van het raam delamineren, en dan werkt het slimme venster niet."

Wang's paper over "mechanische ademhaling" is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Slimme ramen zijn er in veel verschillende configuraties, maar de meest populaire worden elektrochrome apparaten genoemd omdat ze van kleur veranderen wanneer er spanning op wordt gezet. Op het Boeing 787 Dreamliner-vliegtuig, bijvoorbeeld, passagiers kunnen de transparantie van hun ramen geleidelijk aanpassen met behulp van elektrochromie. Soortgelijke ramen zijn nu beschikbaar voor grootschalige installatie in gebouwen, geprogrammeerd om geleidelijk donkerder te worden op zonnige dagen om de energiekosten te verlagen.

Een typisch elektrochroom slim venster heeft vijf lagen, met aan weerszijden twee elektroden, een ionenopslaglaag, een elektrochrome laag, en een elektrolyt in het midden. Jianguo Mei, assistent-professor organische chemie aan Purdue, had geëxperimenteerd met verschillende chemische recepten voor het dunne-film elektrochrome materiaal om de betrouwbaarheid van het raam te verbeteren. Maar de gelamineerde structuur van een slim raam maakt het moeilijk om afzonderlijke componenten tijdens het gebruik te bestuderen; het hele vijflaagse substraat is slechts 500 nanometer dik, minder dan 1% van de dikte van een mensenhaar.

Mei riep de hulp in van Zhao om de mechanische eigenschappen van de film op nanoschaal te beoordelen. Zhao en Wang waren geschokt door de eerste tests.

"Het materiaal breidde zich uit tot 30 procent in volume, maar werd ook half zo elastisch en half zo hard, ' zei Wang.

Deze "mechanische ademhaling" zorgde ervoor dat het materiaal kreukelde en tegen de andere lagen van het substraat duwde. De buitenste lagen zijn gedelamineerd, voorkomen dat elektronen stromen en ervoor zorgen dat het elektrochrome apparaat stopt met functioneren.

"In onze experimenten met onbehandelde monsters, we zagen falen na slechts 100 cycli, ' zei Wang.

Ze begonnen het substraatmateriaal van de elektrode te tweaken en te versterken, opruwen van het oppervlak met silica nanodeeltjes. Deze verhoogde mechanische betrouwbaarheid, overleven tot 8, 000 cycli. Maar het is lang niet genoeg.

"Deze apparaten moeten bestand zijn tegen meer dan 200, 000 cycli, " zei Wang. "Dat is een enorm gat!"

Wang en Zhao, samen met Mei's groep in het departement Scheikunde, zetten hun studies voort in de hoop dat deze elektrochrome apparaten betrouwbaarder kunnen worden gemaakt.

"Van onze experimenten, we bouwen nieuwe theoretische modellen, " zei Wang. "Samen met materiaalwetenschappers en chemici, we willen nieuwe materialen vinden, nieuwe materiaalverwerkingsmethoden, en nieuwe mechanische ontwerpen om een ​​veel langere levensduur van deze apparaten te bereiken."

Slimme ramen kunnen enorme hoeveelheden energie besparen, een normaal en betrouwbaar onderdeel van woningen worden, kantoren en voertuigen. Maar totdat de betrouwbaarheid is verbeterd, Purdue-onderzoekers zullen hun werk voortzetten.

"Ik zie een toekomst waarin hele muren elektrochrome slimme ramen zullen zijn, Wang zei. "Mensen kunnen genieten van het mooie buitenleven en tegelijkertijd het energieverbruik verminderen. Het is een win-win!"