Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben een nieuw materiaal ontworpen om slimme ramen nog slimmer te maken. Het materiaal is een dunne coating van nanokristallen ingebed in glas die het zonlicht dynamisch kunnen wijzigen als het door een raam gaat. In tegenstelling tot bestaande technologieën, de coating biedt selectieve controle over zichtbaar licht en warmteproducerend nabij-infrarood (NIR) licht, dus ramen kunnen zowel energiebesparing als het comfort van de bewoners maximaliseren in een breed scala aan klimaten.

"In de VS, we besteden ongeveer een kwart van onze totale energie aan verlichting, verwarming en koeling van onze gebouwen, " zegt Delia Milliron, een chemicus bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab die dit onderzoek leidde. "Bij gebruik als raambekleding, ons nieuwe materiaal kan een grote impact hebben op de energie-efficiëntie van gebouwen."

Milliron is corresponderende auteur van een paper waarin de resultaten van het tijdschrift worden beschreven Natuur . Het blad is getiteld, "Afstembare transmissie van nabij-infrarood en zichtbaar licht in nanokristal-in-glas composieten, " co-auteur van Anna Llordés, Guillermo García, en Jaume Gazquez.

De onderzoeksgroep van Milliron staat al bekend om hun smart-window-technologie die NIR blokkeert zonder zichtbaar licht te blokkeren. De technologie is gebaseerd op een elektrochroom effect, waar een kleine elektrische schok het materiaal schakelt tussen NIR-zendende en NIR-blokkerende toestanden. Dit nieuwe werk tilt hun benadering naar een hoger niveau door onafhankelijke controle te bieden over zowel zichtbaar als NIR-licht. De innovatie werd onlangs erkend met een R&D 100 Award 2013 en de onderzoekers bevinden zich in de vroege stadia van het commercialiseren van hun technologie.

Onafhankelijke controle over NIR-licht betekent dat bewoners binnen natuurlijk licht kunnen hebben zonder ongewenste thermische versterking, vermindering van de behoefte aan zowel airconditioning als kunstmatige verlichting. Hetzelfde venster kan ook naar een donkere modus worden geschakeld, het blokkeren van zowel licht als warmte, of naar een heldere, volledig transparante modus.

"We zijn erg enthousiast over de combinatie van de unieke optische functie met de goedkope en milieuvriendelijke verwerkingstechniek, " zei Llordes, een projectwetenschapper die samenwerkt met Milliron. "Dat maakt van dit 'universele slimme raam'-concept een veelbelovende competitieve technologie."

De kern van hun technologie is een nieuw "designer" elektrochroom materiaal, gemaakt van nanokristallen van indiumtinoxide ingebed in een glasachtige matrix van niobiumoxide. Het resulterende composietmateriaal combineert twee verschillende functionaliteiten:de ene biedt controle over zichtbaar licht en de andere, controle over NIR, maar het is meer dan de som der delen. De onderzoekers vonden een synergetische interactie in het kleine gebied waar de glasachtige matrix nanokristallen ontmoet die de potentie van het elektrochrome effect vergroten, wat betekent dat ze dunnere coatings kunnen gebruiken zonder afbreuk te doen aan de prestaties. De sleutel is dat de manier waarop atomen zich verbinden over het nanokristal-glas-interface een structurele herschikking in de glasmatrix veroorzaakt.

De interactie opent ruimte in het glas, waardoor lading gemakkelijker in en uit kan gaan. Voorbij elektrochrome ramen, deze ontdekking suggereert nieuwe mogelijkheden voor batterijmaterialen waar het transport van ionen door elektroden een uitdaging kan zijn.

"Vanuit een materiaal-ontwerp perspectief, we hebben aangetoond dat je zeer verschillende materialen kunt combineren om nieuwe eigenschappen te creëren die niet toegankelijk zijn in een homogeen eenfasig materiaal, amorf of kristallijn, door nanokristallen te nemen en in glas te doen, ’ zegt Milliron.

Maar voor Milliron, de onderzoeksreis is zelfs bevredigender dan ofwel fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen ofwel technologische vooruitgang alleen.

"Het meest opwindende was om dit project helemaal te nemen van het synthetiseren van een nieuw materiaal, om het tot in detail te begrijpen, en tot slot het realiseren van een geheel nieuwe functionaliteit die een grote impact kan hebben op technologie, ", zegt Milliron. "Het is heel opmerkelijk om een ​​materiaalontwikkelingsproject helemaal door dat proces te laten lopen. Het spreekt echt over wat we kunnen doen bij Berkeley Lab, waar je niet alleen toegang hebt tot de wetenschappelijke faciliteiten, maar ook tot mensen die jouw perspectief kunnen informeren."