"Slim glas, " een energie-efficiëntieproduct dat wordt aangetroffen in nieuwere autoruiten, gebouwen en vliegtuigen, verandert langzaam tussen transparant en getint met een druk op de knop.

"Langzaam" is het operatieve woord; typisch slim glas duurt enkele minuten om zijn donkere staat te bereiken, en veel cycli tussen licht en donker hebben de neiging om de kleurkwaliteit in de loop van de tijd te verminderen. Chemici van de Colorado State University hebben een potentieel grote verbetering bedacht voor zowel de snelheid als de duurzaamheid van slim glas door een beter begrip te geven van hoe het glas werkt op nanoschaal.

Ze bieden een alternatief ontwerp op nanoschaal voor slim glas in nieuw onderzoek dat op 3 juni is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences . Het project begon als een schrijfoefening voor een beurs voor afgestudeerde student en eerste auteur R. Colby Evans, wiens idee - en passie voor de chemie van kleurveranderende materialen - veranderde in een experiment met twee soorten microscopie en waarbij verschillende medewerkers werden ingeschakeld. Evans wordt geadviseerd door Justin Sambur, universitair docent bij de afdeling Scheikunde, wie is de senior auteur van de krant.

Het slimme glas dat Evans en collega's hebben bestudeerd, is "elektrochroom, " die werkt door een spanning te gebruiken om lithiumionen in en uit dun te drijven, heldere films van een materiaal genaamd wolfraamoxide. "Je kunt het zien als een batterij waar je doorheen kunt kijken, "Zei Evans. Typische smart-glaspanelen van wolfraamoxide hebben 7-12 minuten nodig om over te schakelen tussen helder en getint.

Nanodeeltjes kleuren sneller

De onderzoekers bestudeerden specifiek elektrochrome wolfraamoxide nanodeeltjes, die 100 keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar. Hun experimenten onthulden dat enkele nanodeeltjes, zelf, kleurt vier keer sneller dan films van dezelfde nanodeeltjes. Dat komt omdat interfaces tussen nanodeeltjes lithiumionen vasthouden, het vertragen van het kleurgedrag. Overuren, deze ionenvallen verslechteren ook de prestaties van het materiaal.

Om hun beweringen te staven, de onderzoekers gebruikten helderveldtransmissiemicroscopie om te observeren hoe wolfraamoxide-nanodeeltjes licht absorberen en verstrooien. Het maken van monster "slim glas, "ze varieerden hoeveel nanodeeltjesmateriaal ze in hun monsters plaatsten en keken hoe het kleurgedrag veranderde naarmate meer en meer nanodeeltjes met elkaar in contact kwamen. Vervolgens gebruikten ze scanning-elektronenmicroscopie om beelden met een hogere resolutie van de lengte te verkrijgen, breedte en afstand van de nanodeeltjes, zodat ze konden vertellen, bijvoorbeeld, hoeveel deeltjes waren bij elkaar geclusterd, en hoeveel er uit elkaar waren gespreid.

Op basis van hun experimentele bevindingen, de auteurs stelden voor dat de prestaties van slim glas kunnen worden verbeterd door een materiaal op basis van nanodeeltjes te maken met optimaal gespreide deeltjes, om ionenvangende interfaces te vermijden.

Andere applicaties

Hun beeldvormingstechniek biedt een nieuwe methode om de structuur van nanodeeltjes en elektrochrome eigenschappen te correleren; verbetering van de prestaties van slimme vensters is slechts één toepassing die zou kunnen resulteren. Hun aanpak zou ook richting kunnen geven aan toegepast onderzoek in batterijen, brandstofcellen, condensatoren en sensoren.

"Dankzij Colby's werk, we hebben een nieuwe manier ontwikkeld om chemische reacties in nanodeeltjes te bestuderen, en ik verwacht dat we dit nieuwe instrument zullen gebruiken om onderliggende processen in een breed scala van belangrijke energietechnologieën te bestuderen, ' zei Sambur.