Группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала новый электрохимический способ быстро изменять прозрачность стекла. Под воздействием напряжения оно за несколько секунд становится тёмным и перестаёт пропускать свет. И наоборот, потом за несколько секунд можно вернуть исходное состояние. Для поддержания прозрачного или непрозрачного состояния не требуется энергия — только на изменение состояния.
По мнению авторов научной работы, эта технология потенциально может сэкономить электричество в помещениях, если в солнечные дни окна будут становиться непрозрачными, то снизится нагрев помещения и расходы на воздушное кондиционирование.
Учёные отмечают, что в настоящее время существует ряд альтернативных методов изменять прозрачность стекла, но их метод отличается скоростью и низким потреблением энергии.
Ведущий автор научной работы, профессор химии Массачусетского технологического института Мирча Динча (Mircea Dincă) объясняет, что в создании стёкол использовались электрохимические материалы, которые меняют цвет и прозрачность под воздействием напряжения. Они кардинально отличаются от фотохромных материалов, используемых в известных очках-хамелеонах, которые темнеют на свету. Фотохромные материалы реагируют гораздо медленнее и обладают невысокой степенью изменения прозрачности. От таких же ограничений страдают существующие электрохромные материалы, у которых весьма ограниченная сфера применения. Например, в самолётах «Боинг-787» иллюминаторы выполнены из электрохромного стекла. Они тоже темнеют при приложении напряжения, но процесс занимает несколько минут. Очевидно, это слишком долго.
Затемнение стекла
Осветление стекла
Длительность процесса смены состояния электрохромного стекла связана с тем, что требуется заполнение всего материала положительно заряженными ионами, под воздействием которых материал меняет цвет. Ионы двигаются относительно медленно — поэтому процесс идёт относительно долго.
Химики из Массачусетского технологического института преодолели это ограничение за счёт использования металлоорганических соединений (metal-organic framework, MOF), которые пропускают и электроны, и ионы на очень высокой скорости. Такие метариалы уже несколько десятилетий применяют в промышленности. Например, они словно губка способны накапливать и хранить большое количество водорода. Применяют их как катализаторы и для других целей. Но группа исследователей из МТИ стала первой, кто использовал оптические свойства металлоорганических соединений.
Учёным удалось также решить проблему цветного оттенка тёмного стекла. Даже иллюминаторы в «Боинге-787» в тёмном состоянии на самом деле представляют собой тёмный оттенок зелёного цвета. Новые электрохимические стёкла меняют своё состояние от полностью прозрачного до почти полностью чёрного, который состоит из смеси зелёного и красного.
На физическом уровне материал состоит из двух компонентов: органического материала и соли металла. При смешивании они образуют плёнку материала, аналога MOF-74, но с возможностью оксислительно-восстановительных процессов. В зависимости от использования соли магния или никеля, это может быть Mg2(NDISA)(H2O)2]⋅2.4(H2O) (Mg-NDISA) или [Ni2(NDISA)(H2O)2]⋅4(H2O) (Ni-NDISA).
Кроме оконного стекла, новый материал может пригодиться в некоторых типах дисплеев, которые могут показывать изображение, не потребляя энергии, как электронные чернила.
Научная работа опубликована 11 августа 2016 года в журнале Chem (doi: 10.1016/j.chempr.2016.06.013).
