Onderzoekers hebben prototypevensters gedemonstreerd die van reflecterend naar helder veranderen met de eenvoudige toevoeging van een vloeistof. De nieuwe schakelbare ramen zijn eenvoudig te vervaardigen en zouden geparkeerde auto's ooit koel in de zon kunnen houden of kantoorgebouwen energiezuiniger kunnen maken. De technologie kan ook worden gebruikt om dakpanelen te maken die huizen koel houden in de zomer en warm in de winter.

Hoewel glas dat een aangelegde spanning gebruikt om van helder naar ondoorzichtig of getint over te schakelen, in de handel verkrijgbaar is, de hoge kosten - ongeveer $ 100 per vierkante voet - hebben wijdverbreid gebruik belemmerd.

"We verwachten dat ons slimme glas een tiende kost van wat het huidige slimme glas kost, omdat onze versie kan worden vervaardigd met dezelfde methoden die worden gebruikt om veel plastic onderdelen te maken en geen ingewikkelde elektro-optische technologie vereist voor het schakelen, " zei Keith Goossen, die het onderzoeksteam leidde met Daniel Wolf van de Universiteit van Delaware.

De nieuwe slimme ramen bevatten een kunststof paneel met een patroon van structuren dat retroreflecterend is. Dit betekent dat in plaats van licht in alle richtingen te reflecteren als een spiegel, het reflecteert het licht terug in de richting waar het vandaan kwam als een fietsreflector.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , de onderzoekers demonstreren een prototype van het nieuwe slimme glas dat bestaat uit een 3D-geprint plastic paneel bedekt met een dunne kamer. Wanneer de kamer wordt gevuld met het vloeibare methylsalicylaat - dat overeenkomt met de optische eigenschappen van het plastic - worden de retroreflecterende structuren transparant.

"Hoewel we nieuwe manieren moesten ontwikkelen om 3D-printbare kunststoffen met goede optische prestaties te verwerken, goedkope brekingsindex-aanpassingsvloeistoffen ontwikkelen en sterk reflecterende optische structuren bedenken, de innovatie hier zit vooral in het erkennen dat zo'n eenvoudig concept zou kunnen werken, ’ zei Goossen.

Auto's koel houden

Een van de meest veelbelovende toepassingen voor het nieuwe schakelbare glas is mogelijk in auto's, waar het kan worden gebruikt om de voorruit in een reflecterende staat te veranderen wanneer de auto in de hete zon wordt geparkeerd.

"Je kunt het in de handel verkrijgbare schakelbare glas van vandaag niet voor deze toepassing gebruiken, omdat de voorruit in de verduisterde toestand nog steeds zonlicht absorbeert en heet wordt, "zei Goossen. "Omdat ons glas retroreflecterend is in de niet-transparante staat, bijna al het licht wordt weerkaatst, het glas houden, en dus de auto, van het warm worden."

Het feit dat het glas retroreflecterend is, betekent dat als het aan de buitenkant van een wolkenkrabber zou worden gebruikt, bijvoorbeeld, het zou het licht naar de zon richten in plaats van naar de straat. Dit vermindert de bijdrage van het gebouw aan de opwarming van de stad, wat in veel stedelijke gebieden een probleem is.

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat de plastic retroreflecterende panelen kunnen worden gebruikt als een goedkope schakelbare dakconstructie die de kosten voor verwarming en koeling verlaagt. Op plaatsen die het hele jaar door warm en zonnig zijn, Het is aangetoond dat witte dakbedekkingsmaterialen de koelkosten verlagen door zonlicht te reflecteren. Echter, in gebieden met koude winters, deze witte daken dragen in de winter onbetaalbaar bij aan de stookkosten.

"Hier in Delaware, u wilt in de zomer een wit dak hebben om het huis koel te houden en een donker dak in de winter om zonlicht op te vangen en de stookkosten te verlagen, " zei Goossen. "Voor slimme dakbedekking, onze nieuwe technologie biedt een effectiever type koeldak omdat het retroreflecterend is en het dak in de winter ook donker kan worden."

Voor dakbedekkingstoepassingen, een laag materiaal die onder de panelen wordt geplaatst, wordt gebruikt om licht te absorberen wanneer de panelen in hun heldere staat zijn. Dit helpt het huis warmer te houden als de buitentemperaturen koud zijn. Hoewel het in het prototype gebruikte methylsalicylaat zou kunnen bevriezen in zeer koude klimaten (minder dan 16 graden Fahrenheit), vorstbestendige vloeistoffen kunnen worden ontwikkeld.

3D printen van het prototype

Om het nieuwe schakelbare glas te maken, de onderzoekers begonnen met 3D-printen om plastic panelen te maken met herhalende retroreflecterende structuren van verschillende groottes om te testen. Ze gebruikten een in de handel verkrijgbaar helder 3D-afdrukbaar materiaal en ontwikkelden nabewerkingsstappen om ervoor te zorgen dat het plastic na het afdrukken zeer transparant bleef en zeer nauwkeurige hoeken vertoonde, die belangrijk waren om retroreflectie te bereiken.

"Zonder 3D-printen, we hadden een vormtechnologie moeten gebruiken, waarvoor voor elke andere structuur een andere mal moet worden gemaakt, ", aldus Goossen. "Met 3D-printen, we konden gemakkelijk elke structuur maken die we wilden en vervolgens experimenten uitvoeren om te zien hoe het presteerde. Voor commerciële productie, we kunnen standaard spuitgieten gebruiken om de retroreflecterende panelen goedkoop te maken."

Toen de onderzoekers eenmaal de optimale grootte hadden gevonden om te gebruiken voor de herhalende structuren, ze voerden optische tests uit om te bepalen of eigenschappen zoals oppervlakteruwheid of de lichtabsorptie van het materiaal onverwachte optische problemen zouden veroorzaken. Deze optische tests toonden aan dat de structuren precies werkten zoals aangegeven door optische simulaties.

"Belangrijk, we hebben ook aangetoond dat het apparaat duizenden cycli kan ondergaan van transparant tot reflecterend zonder enige degradatie, " zei Goossen. Dat deden ze, echter, ontdek dat er wat vloeistof op de structuur blijft zitten in plaats van weg te vloeien. Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers ontwikkelen coatings die ervoor zorgen dat de vloeistof zonder residu van het plastic afvloeit.

"Om het nut van de technologie als schakelbaar glas verder aan te tonen, we bouwen een kantoordeur waarin het nieuwe slimme glas is verwerkt als schakelbaar privacypaneel, ", aldus Goossen. "Dit soort panelen worden momenteel met veel duurdere technologie gemaakt. We hopen dat onze aanpak deze en andere toepassingen van slim glas kan verbreden."