2019-06-04 21:33:01
化学家可以通过在纳米级操纵它来使智能玻璃变得更聪明

“智能玻璃”是一种在汽车,建筑物和飞机的新窗户中发现的节能产品,在开关翻转时在透明和有色之间缓慢变化。

“慢慢地”是一个有效的词;典型的智能玻璃需要几分钟才能达到其黑暗状态,并且在明暗之间的许多循环往往会随着时间的推移降低着色质量。科罗拉多州立大学的化学家们通过更好地了解玻璃在纳米尺度下的工作原理,设计出了智能玻璃的速度和耐用性的潜在重大改进。

他们在6月3日发表在“美国国家科学院院刊”上的新研究中为智能玻璃提供了另一种纳米级设计。该项目最初是作为研究生和第一作者R. Colby Evans的资助写作练习,他对变色材料化学的想法和热情转变为涉及两种类型的显微镜并招募几名合作者的实验。埃文斯是该论文的资深作者,化学系助理教授贾斯汀桑布尔的建议。

Evans及其同事研究的智能玻璃是“电致变色的”,它通过使用电压驱动锂离子进出一种叫做氧化钨的薄薄透明薄膜。 “你可以把它想象成一个你可以看到的电池,”埃文斯说。典型的氧化钨智能玻璃面板需要7-12分钟才能在透明和着色之间转换。

纳米粒子色调更快

研究人员专门研究了电致变色氧化钨纳米粒子,它比人类头发的宽度小100倍。他们的实验表明,单个纳米粒子本身的色调比相同纳米粒子的膜快四倍。这是因为纳米粒子之间的界面会捕获锂离子,从而减缓着色行为。随着时间的推移,这些离子阱也会降低材料的性能。

为了支持他们的主张,研究人员使用明场透射显微镜观察了氧化钨纳米粒子如何吸收和散射光。制作样品“智能玻璃”,他们改变了他们在样品中放置的纳米颗粒材料的数量,并观察着随着越来越多的纳米颗粒相互接触,着色行为如何变化。然后,他们使用扫描电子显微镜获得纳米粒子的长度,宽度和间距的更高分辨率图像,因此他们可以分辨出有多少粒子聚集在一起,以及有多少粒子被分散开来。

基于他们的实验结果,作者提出通过制造具有最佳间隔颗粒的纳米粒子材料可以改善智能玻璃的性能,以避免离子俘获界面。

其他应用

他们的成像技术提供了一种关联纳米粒子结构和电致变色性质的新方法;智能窗口性能的改进只是可能导致的一种应用。他们的方法还可以指导电池,燃料电池,电容器和传感器的应用研究。

“由于Colby的工作,我们开发了一种研究纳米粒子中化学反应的新方法,我希望我们将利用这一新工具研究各种重要能源技术的基本过程,”Sambur说。

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