I ricercatori hanno dimostrato un materiale per finestre dinamiche di prossima generazione, che consentirebbe agli occupanti dell’edificio di cambiare le loro finestre tra tre modalità: finestre trasparenti o “normali”; finestre che si bloccano luce infrarossa, contribuendo a mantenere fresco un edificio; e finestre colorate che controllano l’abbagliamento mantenendo la vista.
Finestre sulla facciata dell’edificio – foto illustrativa. Credito immagine: Pixabay (licenza gratuita Pixabay)
Le finestre dinamiche basate sull’elettrocromismo – ovvero la loro opacità cambia in risposta allo stimolo elettrico – non sono un concetto nuovo. Ma, fino a questo punto, la maggior parte delle finestre dinamiche erano chiare o scure.
“Il nostro lavoro dimostra che ci sono più opzioni disponibili”, afferma Veronica Augustyn, co-autrice di un articolo sul lavoro e Distinguished Scholar di Jake e Jennifer Hooks in Scienza e ingegneria dei materiali presso la North Carolina State University.
“In particolare, abbiamo dimostrato che è possibile consentire alla luce di passare attraverso le finestre contribuendo comunque a mantenere gli edifici più freschi e quindi più efficienti dal punto di vista energetico.”
La chiave per materiali per finestre più dinamici è l’acqua.
Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto che quando l’acqua si lega all’interno della struttura cristallina di un ossido di tungsteno – formando ossido di tungsteno idrato – il materiale mostra un comportamento precedentemente sconosciuto.
Con così tanto vetro nell’architettura urbana, le finestre intelligenti sono un must. Credito immagine: Connor Cunningham via Wikimedia(CC BY-SA 4.0)
Gli ossidi di tungsteno sono utilizzati da tempo nelle finestre dinamiche. Questo perché l’ossido di tungsteno è normalmente trasparente. Ma quando si applica un segnale elettrico e si iniettano ioni di litio ed elettroni nel materiale, il materiale diventa scuro e blocca la luce.
I ricercatori hanno ora dimostrato che è possibile sintonizzare efficacemente le lunghezze d’onda della luce che vengono bloccate quando si iniettano ioni di litio ed elettroni in un materiale correlato chiamato ossido di tungsteno idrato.
Quando gli ioni di litio e gli elettroni vengono iniettati nel materiale idrato, si passa prima a una fase di “blocco del calore”, consentendo il passaggio delle lunghezze d’onda visibili della luce, ma bloccando la luce infrarossa. Se vengono iniettati più ioni di litio ed elettroni, il materiale passa quindi a una fase oscura, bloccando sia la lunghezza d’onda della luce visibile che quella infrarossa.
“La presenza di acqua nella struttura cristallina rende la struttura meno densa, quindi la struttura è più resistente alla deformazione quando ioni di litio ed elettroni vengono iniettati nel materiale”, afferma Jenelle Fortunato, prima autrice dell’articolo e ricercatrice post-dottorato presso NC Stato.
“La nostra ipotesi è che, poiché l’ossido di tungsteno idrato può accogliere più ioni di litio rispetto al normale ossido di tungsteno prima di deformarsi, si ottengono due modalità. Esiste una modalità “cool” – quando l’iniezione di ioni di litio ed elettroni influisce sulle proprietà ottiche, ma il cambiamento strutturale non si è ancora verificato – che assorbe la luce infrarossa. E poi, dopo che si è verificato il cambiamento strutturale, c’è una modalità “oscura” che blocca sia la luce visibile che quella infrarossa”.
“La scoperta del controllo della luce a doppia banda (infrarossi e visibili) in un unico materiale, già ben noto alla comunità delle finestre intelligenti, potrebbe accelerare lo sviluppo di prodotti commerciali con funzionalità avanzate”, afferma Delia Milliron, co-autrice dell’articolo e Ernest Cockrell, Sr. Chair #1 in Ingegneria presso l’Università del Texas ad Austin.
“Più in generale, il ruolo imprevisto dell’acqua strutturale nella produzione di proprietà elettrochimiche distintive può ispirare la comunità di ricerca oltre gli sviluppatori di finestre intelligenti, portando all’innovazione nello stoccaggio dell’energia e nei materiali di conversione”.
La carta, “Elettrocromismo a doppia banda nell’ossido di tungsteno idrato”, viene pubblicato sulla rivista Fotonica ACS. Il primo autore dell’articolo è Jenelle Fortunato, ricercatrice post-dottorato presso NC State.
L’articolo è stato scritto in collaborazione con Noah Holzapfel, un ricercatore post-dottorato presso NC State; Matthew Chagnot, un dottorato di ricerca. studente presso NC State; James Mitchell, un recente dottorato di ricerca. laureato allo stato NC; Benjamin Zydlewski e Hsin-Che Lu dell’Università del Texas ad Austin; e Ming Lei e De-en Jiang della Vanderbilt University.
La ricerca è stata condotta con il sostegno della National Science Foundation, con la sovvenzione 1653827; l’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, con la sovvenzione DE-SC0023408; e la Fondazione Welch, con la sovvenzione F-1848.
“Elettrocromismo a doppia banda nell’ossido di tungsteno idrato”
Autori: Jenelle Fortunato, Noah P. Holzapfel, Matthew Chagnot, James B. Mitchell e Veronica Augustyn, North Carolina State University; Benjamin Z. Zydlewski, Hsin-Che Lu e Delia J. Milliron, Università del Texas ad Austin; Ming Lei e De-en Jiang, Università di Vanderbilt
Pubblicato: 1 settembre, Fotonica ACS
DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00921
Astratto: La modulazione indipendente della luce visibile e del vicino infrarosso da parte di un unico materiale, chiamato elettrocromismo a doppia banda, è altamente auspicabile per le finestre intelligenti per migliorare l’efficienza energetica degli edifici. Gli ossidi di tungsteno sono materiali elettrocromici commercialmente importanti, che mostrano un assorbimento reversibile nel visibile e nel vicino infrarosso quando ridotti elettrochimicamente in un elettrolita contenente piccoli cationi o protoni. La presenza di acqua strutturale negli ossidi di tungsteno è stata associata a velocità di commutazione elettrocromica più elevate. Qui troviamo che WO3·H2O, un idrato cristallino, mostra elettrocromismo a doppia banda a differenza del WO anidro3. Ciò fornisce un percorso finora inesplorato per ottimizzare la risposta elettrocromica degli ossidi di tungsteno. L’assorbimento della luce nel vicino infrarosso si ottiene a un basso Li+/e– iniezione, seguita dall’assorbimento della luce visibile a livelli di Li più elevati+/e– iniezione come risultato di una transizione di fase indotta elettrochimicamente. Proponiamo che la modulazione dual-band sia possibile grazie alla struttura più aperta di WO3·H2O rispetto a WO3. Ciò facilita una soluzione solida Li più estesa+ regime di inserzione che avvantaggia la modulazione della radiazione del vicino infrarosso tramite l’assorbimento del plasmone. Gradi più alti di Li+/e– l’inserzione porta all’assorbimento polaronico associato all’accumulo di carica localizzata. Questi risultati informano su come i fattori strutturali influenzano la risposta spettrale indotta elettrochimicamente degli ossidi di metalli di transizione e l’importante ruolo dell’acqua strutturale oltre la velocità di commutazione ottica.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
