Los investigadores han demostrado un material para ventanas dinámicas de próxima generación, que permitiría a los ocupantes del edificio cambiar sus ventanas entre tres modos: ventanas transparentes o «normales»; ventanas que bloquean luz infrarroja, ayudando a mantener fresco un edificio; y ventanas polarizadas que controlan el deslumbramiento manteniendo la vista.
Ventanas en la fachada del edificio – fotografía ilustrativa. Crédito de la imagen: Pixabay (licencia gratuita de Pixabay)
Las ventanas dinámicas basadas en electrocromismo (es decir, su opacidad cambia en respuesta a un estímulo eléctrico) no son un concepto nuevo. Pero, hasta este punto, la mayoría de las ventanas dinámicas eran claras u oscuras.
«Nuestro trabajo demuestra que hay más opciones disponibles», dice Veronica Augustyn, coautora correspondiente de un artículo sobre el trabajo y becaria distinguida Jake y Jennifer Hooks en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
«Específicamente, hemos demostrado que se puede permitir que la luz pase a través de las ventanas y al mismo tiempo ayudar a mantener los edificios más frescos y, por lo tanto, más eficientes energéticamente».
La clave para conseguir materiales para ventanas más dinámicos es el agua.
Específicamente, los investigadores descubrieron que cuando el agua se une dentro de la estructura cristalina de un óxido de tungsteno (formando hidrato de óxido de tungsteno), el material exhibe un comportamiento previamente desconocido.
Con tanto vidrio en la arquitectura urbana, las ventanas inteligentes son imprescindibles. Crédito de la imagen: Connor Cunningham vía Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)
Los óxidos de tungsteno se utilizan desde hace mucho tiempo en ventanas dinámicas. Esto se debe a que el óxido de tungsteno normalmente es transparente. Pero cuando se aplica una señal eléctrica y se inyectan iones de litio y electrones en el material, el material se vuelve oscuro y bloquea la luz.
Los investigadores ahora han demostrado que se pueden sintonizar efectivamente las longitudes de onda de la luz que se bloquean cuando se inyectan iones de litio y electrones en un material relacionado llamado hidrato de óxido de tungsteno.
Cuando se inyectan iones de litio y electrones en el material de hidrato, primero pasa a una fase de «bloqueo de calor», que permite el paso de longitudes de onda visibles de luz, pero bloquea la luz infrarroja. Si se inyectan más iones de litio y electrones, el material pasa a una fase oscura, bloqueando las longitudes de onda de luz tanto visibles como infrarrojas.
«La presencia de agua en la estructura cristalina hace que la estructura sea menos densa, por lo que la estructura es más resistente a la deformación cuando se inyectan iones de litio y electrones en el material», dice Jenelle Fortunato, primera autora del artículo y becaria postdoctoral en Carolina del Norte. Estado.
“Nuestra hipótesis es que, debido a que el hidrato de óxido de tungsteno puede acomodar más iones de litio que el óxido de tungsteno normal antes de deformarse, se obtienen dos modos. Hay un modo «frío», cuando la inyección de iones de litio y electrones afecta las propiedades ópticas, pero aún no se ha producido un cambio estructural, que absorbe la luz infrarroja. Y luego, después de que se produce el cambio estructural, hay un modo «oscuro» que bloquea tanto la luz visible como la infrarroja».
«El descubrimiento del control de luz de doble banda (infrarroja y visible) en un solo material que ya es bien conocido por la comunidad de ventanas inteligentes puede acelerar el desarrollo de productos comerciales con características mejoradas», dice Delia Milliron, coautora correspondiente del artículo. y la Cátedra número 1 Ernest Cockrell, Sr. en Ingeniería de la Universidad de Texas en Austin.
«En términos más generales, el papel imprevisto del agua estructural en la producción de propiedades electroquímicas distintivas puede inspirar a la comunidad de investigación más allá de los desarrolladores de ventanas inteligentes, lo que conducirá a la innovación en el almacenamiento de energía y los materiales de conversión».
El papel, «Electrocromismo de doble banda en óxido de tungsteno hidratado”, se publica en la revista Fotónica ACS. La primera autora del artículo es Jenelle Fortunato, investigadora postdoctoral en NC State.
El artículo fue coautor de Noah Holzapfel, investigador postdoctoral en NC State; Matthew Chagnot, Ph.D. estudiante de NC State; James Mitchell, un reciente Ph.D. graduado de NC State; Benjamin Zydlewski y Hsin-Che Lu de la Universidad de Texas en Austin; y Ming Lei y De-en Jiang de la Universidad de Vanderbilt.
La investigación se realizó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, bajo la subvención 1653827; la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., con la subvención DE-SC0023408; y la Welch Foundation, bajo la subvención F-1848.
“Electrocromismo de doble banda en óxido de tungsteno hidratado”
Autores: Jenelle Fortunato, Noah P. Holzapfel, Matthew Chagnot, James B. Mitchell y Veronica Augustyn, Universidad Estatal de Carolina del Norte; Benjamin Z. Zydlewski, Hsin-Che Lu y Delia J. Milliron, Universidad de Texas en Austin; Ming Lei y De-en Jiang, Universidad de Vanderbilt
Publicado: 1 de septiembre Fotónica ACS
DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00921
Abstracto: La modulación independiente de la luz visible y del infrarrojo cercano mediante un solo material, denominada electrocromismo de doble banda, es muy deseable para que las ventanas inteligentes mejoren la eficiencia energética de los edificios. Los óxidos de tungsteno son materiales electrocrómicos comercialmente importantes, que exhiben absorción reversible visible e infrarroja cercana cuando se reducen electroquímicamente en un electrolito que contiene pequeños cationes o protones. La presencia de agua estructural en los óxidos de tungsteno se ha asociado con velocidades de conmutación electrocrómicas más rápidas. Aquí encontramos que WO3·H2O, un hidrato cristalino, exhibe electrocromismo de doble banda a diferencia del WO anhidro3. Esto proporciona una ruta hasta ahora inexplorada para ajustar la respuesta electrocrómica de los óxidos de tungsteno. La absorción de luz infrarroja cercana se logra con niveles bajos de Li.+/mi– inyección, seguida de la absorción de luz visible a mayor Li+/mi– inyección como resultado de una transición de fase inducida electroquímicamente. Proponemos que la modulación de doble banda es posible debido a la estructura más abierta de WO3·H2O en comparación con WO3. Esto facilita una solución sólida más extendida Li+ Régimen de inserción que beneficia la modulación de la radiación del infrarrojo cercano mediante la absorción de plasmones. Grados superiores de Li+/mi– La inserción conduce a una absorción polarónica asociada con el almacenamiento de carga localizado. Estos resultados informan cómo los factores estructurales influyen en la respuesta espectral inducida electroquímicamente de los óxidos de metales de transición y el importante papel del agua estructural más allá de la velocidad de conmutación óptica.
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