Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 11 – vyšlo 11. března, ročník 20 (2022) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

11/2022

Kouzelné sklo – teplo a chlad v jednom

Petr Kulhánek

Současná věda dokáže vyvíjet stále nové materiály těch nejpozoruhodnějších vlastností, které se stávají součástí našich domovů a krok za krokem zvyšují naše pohodlí a umožňují technologická řešení připomínající ty nejdivočejší nápady ze scifi literatury. Představte si okno, které může být na povel průhledné či neprůhledné, nebo stěnu, u níž si můžete zvolit, zda bude vnitřní prostor ochlazovat, nebo ohřívat. Skupina vědců z Dukeovy univerzity vyvinula materiál, který sice výše uvedené kousky umí jen částečně, nicméně se zdá, že už chybí jen krůček a zanedlouho se nový materiál stane běžným prvkem moderních inteligentních budov.

Inteligentní budovy nepříliš vzdálené budoucnosti. Zdroj: Halocarbon.

Grafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektro­tech­nice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. Elektrochromizmus – změna barvy materiálu v důsledku průtoku elektrického proudu nebo oxidačně redukčních dějů. Změna velikosti či orientace elektric­kého proudu může vést ke změně zabarvení materiálu, často doprová­zené změnou propustnosti světla a tepla. Jev se využívá v inteligentních sklech, u speciálních zpětných zrcátek automobilů či v displejích. Látka s těmito vlastnostmi se nazývá elektrochrom. Zpravidla je tekutá, může být ale i pevná. Plošný odpor – veličina popisující odpor tenké vrstvy. Plošný odpor je definován jako rezistivita vrstvy (Ω·m) dělená její tloušťkou (m). Výsledek vychází v ohmech. Aby se plošný odpor nepletl s běžným odporem prostorové součástky, zapisuje se plošný odpor tenké vrstvy jako číslo s jednotkou Ω/square nebo Ω/sq. Dukeova univerzita – americká soukromá univerzita v Durhamu v Severní Karolíně. Tato světoznámá univerzita byla založena v roce 1838. Mezi absolventy jsou čtyři nositelé Nobelovy ceny za fyziku. Univerzita má 4 000 zaměstnanců a 17 000 studentů (rok 2021).

Elektrochromické materiály

ElektrochromickéElektrochromizmus – změna barvy materiálu v důsledku průtoku elektrického proudu nebo oxidačně redukčních dějů. Změna velikosti či orientace elektric­kého proudu může vést ke změně zabarvení materiálu, často doprová­zené změnou propustnosti světla a tepla. Jev se využívá v inteligentních sklech, u speciálních zpětných zrcátek automobilů či v displejích. Látka s těmito vlastnostmi se nazývá elektrochrom. Zpravidla je tekutá, může být ale i pevná. materiály měnící své zabarvení vlivem průchodu elektrického proudu jsou známé velmi dávno. Základním problémem ale je, že aby jimi procházel elektrický proud, musí k nim být připojeny elektrody, což znemožňuje průchod běžného světla a takový materiál nelze využít jako kvalitní sklo. Ono takové okno, kterým neprochází světlo, je sice pěkným bytovým doplňkem, ale o jeho funkčnosti lze oprávněně pochybovat. Skupina vědců z katedry Materiálového inženýrství a materiálových věd na Dukeově univerzitěDukeova univerzita – americká soukromá univerzita v Durhamu v Severní Karolíně. Tato světoznámá univerzita byla založena v roce 1838. Mezi absolventy jsou čtyři nositelé Nobelovy ceny za fyziku. Univerzita má 4 000 zaměstnanců a 17 000 studentů (rok 2021). ve Spojených státech vyvinula součástku, kterou lze přepínat mezi dvěma módy. V jednom je průhledná, prochází jí světlo i teplo a vnitřní prostor se ochlazuje. V druhém módu je průchod světla a tepla blokován, součástka ztmavne, absorbuje sluneční záření a zahřívá vnitřní prostor. K přepnutí mezi oběma režimy postačí jen změnit orientaci elektrického proudu procházejícího součástkou.

Demonstrace součástky, která se chová jako „inteligentní okno“ umožňující jak pasivní ochlazování, tak pasivní ohřev. Nalevo je součástka průhledná, odkryje zr­cad­lo, které odráží sluneční světlo a umožňuje únik tepelného záření. Vnitřní prostor je chlazen. Napravo je součástka tmavá, sluneční světlo a teplo je zachyceno, vnitřní prostor je ohříván. Zdroj: Dukeova univerzita.

Jak nový materiál funguje?

Základem inteligentního skla je elektrolyt s nanočásticemi stříbra. Elektrolyt je složený z dusičnanu stříbrného (50 milimolů na litr), tetra-butyl-amonium bromidu (250 mmol/l) a chloridu měďnatého (10 mmol/l), to vše rozpuštěné v dimetylsulfoxidu. Nanočástice jsou rozmístěny v nanometrových vzdálenostech, a to v náhodných shlucích (jinak by pohlcovaly vlnové délky odpovídající jejich vzdálenosti). Elektrolyt je za tohoto stavu průhledný v širokém rozsahu vlnových délek. Při jedné polaritě elektrického proudu se nanočástice přemístí k horní elektrodě a znemožní průchod jak infračerveného, tak viditelného elektromagnetického záření. Při opačném směru proudu se nanočástice vrátí do elektrolytu a elektrolyt se stane opět průhledným.

Hlavním problémem jsou ale elektrody. Skupina vědců z Dukeovy univerzityDukeova univerzita – americká soukromá univerzita v Durhamu v Severní Karolíně. Tato světoznámá univerzita byla založena v roce 1838. Mezi absolventy jsou čtyři nositelé Nobelovy ceny za fyziku. Univerzita má 4 000 zaměstnanců a 17 000 studentů (rok 2021)., kterou vede profesor Po-Chun Hsu, zvolila jako elektrodu jednoatomární vrstvu grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektro­tech­nice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010.. Taková vrstva je relativně průhledná, ale její vodivost nebyla dostatečná. Proto při dalších experimentech vědci umístili na povrch grafenu tenkou síťku ze zlataZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí.. Tím vytvořili cosi jako dálnici pro elektrický proud. Průchod světla se sice o něco snížil, ale nikoli dramaticky. Součástka byla vyrobena fotolitografickyFotolitografie – technologický postup používaný při výrobě polovodičových součástek. Na polovodičovou destičku se nanese vrstva fotorezistu, posléze se destička ozáří a projde vývojkou. Fotorezist chrání jím pokrytá místa před vyleptáním., postup je znázorněn na následujícím obrázku.

Připravená součástka má plošný odporPlošný odpor – veličina popisující odpor tenké vrstvy. Plošný odpor je definován jako rezistivita vrstvy (Ω·m) dělená její tloušťkou (m). Výsledek vychází v ohmech. Aby se plošný odpor nepletl s běžným odporem prostorové součástky, zapisuje se plošný odpor tenké vrstvy jako číslo s jednotkou Ω/square nebo Ω/sq. 22,4 ?/sq. V režimu ochlazování propustí 86 % ultrafialového a viditelného záření, 88 % blízkého infračerveného záření a 85 % tepelného infračerveného záření (viz rozdělení IR). Absorpce je ovlivnitelná (dle procházejícího proudu) v rozsahu 12 % až 94 %. V režimu ohřevu je absorpce viditelného i tepelného záření velmi vysoká. Přepnutí mezi režimem ohřevu a režimem chlazení trvá jednu až dvě minuty a v daném režimu může součástka zůstat po mnoho hodin. Nespornou výhodou je opakované přepínání mezi oběma režimy bez přítomnosti jakékoli pohyblivé součástky. Nevýhodou je, že první připravený vzorek vydržel jen řádově 20 změn stavu, poté přestal fungovat. Snad se v dalších experimentech podaří větší počet cyklů.

Nová součástka ve stávající podobě nenahradí klasické okno, protože je průhledná jen v jednom z obou módů. To ale nic nemění na rozsáhlých možnostech jejího využití na fasádách a střechách budov, kde s minimálními náklady umožní ohřev či chlazení budov. Nový materiál ale určitě najde uplatnění i v automobilovém průmyslu, zemědělství a dalších oborech lidské činnosti. 

Připravený vzorek. Nalevo je průhledný režim. Zdroj: Dukeova univerzita.

Odkazy