Российские ученые из Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Университета Тель-Авива (Израиль) добились значительного прогресса в понимании и улучшении ключевых характеристик «умного» стекла (англ. smart-glass) — материалов с изменяемой прозрачностью. Исследование опубликовано в журнале Molecules.
В основе такого стекла лежат диспергированные полимерные пленки, внутри которых находятся микроскопические капли жидких кристаллов. В обычном состоянии без электрической нагрузки они рассеивают свет и делают стекло матовым, а при подаче напряжения перестраивают внутреннюю структуру — и стекло становится прозрачным.
Ученые не только измерили эффект изменения прозрачности под действием электричества, но и связали его с конкретной внутренней структурой капель, а также показали, как этим можно управлять через один-единственный физический параметр. Это позволяет регулировать ключевые характеристики светопрозрачной конструкции — контраст, скорость переключения и энергопотребление — без усложнения состава материала и добавления дополнительных модификаций.
Команда выяснила, что в каплях формируется устойчивая «скрученная» осесимметричная структура, которая при подаче небольшого напряжения перестраивается, уменьшая рассеяние света. Изменяя степень «скрученности» этой структуры через особые граничные условия на поверхности капель, можно гибко настраивать оптические свойства материала и скорость перехода между состояниями. Это дает возможность создавать «умные» материалы, которые быстрее переключаются, потребляют меньше энергии и обладают более высокой контрастностью.
Что это значит для технологий
Такой подход открывает путь к созданию более технологичных и энергоэффективных устройств:
- Умных окон, дверей и перегородок для зданий и транспорта;
- Проекционных и голографических дисплеев;
- Микролинз для лазерной фотоники.
Ранее улучшить характеристики смарт-стекол можно было только за счет изменения состава пленок, добавок, наночастиц или красителей — теперь необходимую настройку можно проводить, управляя только одним параметром, что упрощает технологию изготовления и снижает затраты.
Интересные факты о смарт-стекле
Технологии «умного» стекла уже применяются в архитектуре и дизайне, где стеклянные межкомнатные перегородки могут менять прозрачность для конфиденциальности или зонирования помещений.
В некоторых случаях такие материалы используются для экономии энергии в зданиях, снижая теплопотери и потребность в освещении.
В других исследованиях умное стекло адаптируется не только к электрическому сигналу, но и к температурным изменениям, что открывает возможности для пассивного энергосбережения.
Стоимость «умных» стекол для дизайна интерьеров и внешних светопрозрачных конструкций постепенно снижается. В момент появления на российском рынке в середине «нулевых» цена квадратного метра начиналась от 3 000 долларов США, причем смарт-стекло было только импортным. Сейчас налажен выпуск таких конструкций в России, стоимость изделий начинается от 30 000 рублей за квадратный метр.
Управляя внутренней спиральной структурой жидких кристаллов, можно точнее настраивать взаимодействие света с материалом и его отклик на внешнее поле, тем самым увеличивая контраст и снижая время выключения.
Недавно Hi-Tech Mail сообщил о том, что томские ученые создали «умное» стекло для электроники.
