ماده هوشمندی که در یک دقیقه گرم و سرد می‌شود!

به گزارش وب‌سایت رسمی دانشگاه دوک، هر کسی که تاکنون خودروی خود را در یک تابستان داغ زیر نور خورشید پارک کرده باشد، می‌داند که شیشه‌های خودرو در وارد کردن نور خوب عمل می‌کنند اما عملکرد بدی در بیرون فرستادن گرما دارند.

مهندسان "دانشگاه دوک"(Duke University) آمریکا، فناوری هوشمندی ابداع کرده‌اند که با یک حرکت می‌تواند گرما را از نور خورشید به دست بیاورد یا امکان خنک شدن را برای یک جسم فراهم کند. این ماده مبتنی بر فناوری الکتروکرومیک است و با به کار گرفتن الکتریسیته می‌تواند رنگ و میزان شفافیت را تغییر دهد.

"پو چون هسو"(Po-Chun Hsu)، استادیار مهندسی مکانیک و علوم مواد دانشگاه دوک و از پژوهشگران این پروژه گفت: ما نخستین نمونه از یک ابزار الکتروکرومیک را نشان داده‌ایم که می‌تواند عملکرد خوبی در تغییر میان گرمای خورشیدی و سرمای تابشی داشته باشد.

پنجره‌های هوشمند ساخته شده از شیشه الکتروکرومیک، یک فناوری نسبتا جدید است که از یک واکنش الکتروکرومیک استفاده می‌کند تا شیشه را از حالت شفاف به حالت مات تغییر دهد و آن را در یک چشم بر هم زدن دوباره به حالت ابتدایی خود بازگرداند. اگرچه روش‌های بسیاری برای ابداع این فناوری وجود دارد اما همه آنها، فشرده کردن یک ماده واکنشی الکتریکی میان دو لایه نازک الکترود و عبور جریان الکتریکی بین لایه‌ها را شامل می‌شوند. دستیابی به این ترفند برای نور مرئی به اندازه کافی دشوار است اما زمانی که نور مادون قرمز میانی به کار برود، دشوارتر هم می‌شود.

هسو و همکارانش در این پژوهش، از فناوری خود رونمایی کرده‌اند که با هر دو طیف نور تعامل دارد و بین حالت‌های گرما و سرما تغییر می‌کند. این فناوری در حالت گرما، تیره می‌شود تا نور خورشید را جذب کند و جلوی فرار کردن پرتو مادون قرمز میانی را بگیرد. این لایه تیره شبیه به شیشه، در حال سرما روشن می‌شود و آینه‌ای را آشکار می‌سازد که نور خورشید را منعکس می‌کند و به پرتو مادون قرمز میانی امکان می‌دهد تا بیرون برود. از آنجا که این آینه هرگز در برابر نور مرئی شفاف نیست، این فناوری را نمی‌توان جایگزین پنجره در خانه‌ها یا ادارات کرد اما ممکن است برای به کار رفتن در سطوح دیگر ساختمان مناسب باشد.

هسو گفت: ابداع موادی که بتوانند در هر دو موقعیت کار کنند، بسیار دشوار است. فناوری ما، یکی از بزرگترین محدوده‌های تنظیم در تابش حرارتی را دارد که تاکنون نشان داده شده است.

برای مهندسی این فناوری، دو چالش عمده وجود داشت. نخستین مورد، ابداع لایه‌های الکترود بود که رسانای الکتریسیته هستند و در برابر نور مرئی و تابش حرارتی شفافیت دارند. بیشتر مواد رسانا مانند فلزات، گرافیت و برخی از اکسیدها، مناسب نیستند زیرا این دو ویژگی با یکدیگر در تضاد قرار دارند؛ بنابراین هسو و همکارانش، فناوری خود را مهندسی کردند.

آنها کار خود را با لایه‌ای از گرافین به ضخامت یک اتم آغاز کردند که آن قدر نازک است که می‌تواند هر دو نوع نور را منعکس یا جذب کند اما آنقدر رسانا نیست که بتواند الکتریسیته مورد نیاز را در مقیاس بزرگ ارائه دهد. پژوهشگران برای برطرف کردن این محدودیت، شبکه نازکی از طلا را روی گرافین اضافه کردند تا مانند یک اتوبان برای الکتریسیته عمل کند. اگرچه این فناوری تا حدودی توانایی گرافین را برای برقراری امکان عبور نور کاهش داد اما این کاهش آنقدر ناچیز بود که ارزش آزمایش را داشته باشد.

چالش دوم، مهندسی کردن ماده‌ای بود که بتواند بین دو لایه الکترود قرار بگیرد و به جذب نور و گرما بپردازد یا امکان عبور آنها را فراهم کند. پژوهشگران با استفاده از "پلاسمونیک"(Plasmonics) توانستند به این هدف دست یابند.

هنگامی که نانوذرات فلز دور از هم قرار می‌گیرند، می‌توانند طول موج‌های نور را براساس اندازه و فاصله‌گذاری آنها محبوس کنند اما در این مورد، نانوذرات در خوشه‌هایی پخش می‌شوند و تعامل با طیف گسترده‌ای از طول موج‌ها را به همراه می‌آورند که برای محبوس کردن نور خورشید به صورت کارآمد، موثر است.

الکتریسیته‌ای که از میان دو الکترود می‌گذرد، موجب می‌شود که نانوذرات فلز در نزدیکی الکترود بالایی تشکیل شوند. این موضوع نه تنها به تیره شدن فناوری منجر می‌شود، بلکه به آن در جذب و محبوس کردن نور و گرما کمک می‌کند. هنگامی که جریان الکتریسیته معکوس می‌شود، نانوذرات دوباره در الکترولیت مایع شفاف حل می‌شوند. کامل شدن این تغییر میان دو حالت، یک یا دو دقیقه زمان می‌برد.

هنوز چالش‌های بسیاری باید برطرف شوند تا بتوان از این فناوری در کاربردهای روزانه استفاده کرد. بزرگترین چالش، افزایش زمانی است که نانوذرات در چرخه شکل گرفتن و تجزیه شدن صرف می‌کنند.

با بلوغ این فناوری، کاربردهای بسیاری برای آن وجود خواهد داشت. این فناوری را می‌توان در دیوارهای بیرونی یا بام‌ها به کار گرفت تا با کمترین میزان انرژی، به گرم و سرد شدن ساختمان‌ها کمک کند. ارائه چنین قابلیت پویایی در ساختمان با هدف استفاده از منابع تجدیدپذیر برای گرمایش و سرمایش، می‌تواند فرصتی را برای کاهش استفاده از مصالح ساختمانی فراهم کند که طی دهه‌ها، منبع قابل توجهی از انتشار کربن بوده‌اند.

این پژوهش، در مجله "ACS Energy Letters" به چاپ رسید.

منبع: ایسنا

66