تعد النوافذ ضرورة أساسية في المبنى للسماح بدخول الضوء وتبديد الحرارة، ولكنك لا ترغب دائمًا في الحصول على كلتا الوظيفتين في نفس الوقت. الآن، قام المهندسون في جامعة ولاية كارولينا الشمالية (NCSU) بتطوير مادة جديدة تسمح للنوافذ بالتبديل بسهولة بين ثلاثة أوضاع.
يمكن لهذه النافذة الديناميكية الجديدة التبديل بين الوضع العادي الواضح (الذي يسمح بدخول الضوء والحرارة)، والوضع الذي يحجب الحرارة ولكنه يظل شفافًا، والوضع الملون (يحجب بعض الضوء ولكن ليس الحرارة). بهذه الطريقة، يمكن للمستخدمين الاستمتاع بتأثير الحماية من الشمس طوال العام.
المفتاح لكل ذلك يكمن في مادة صغيرة تسمى أكسيد التنغستن، والتي غالبا ما توجد في النوافذ الزجاجية الديناميكية على أساس المبدأ الكهربائي. في العادة، يكون أكسيد التنغستن شفافًا، وعند تطبيق إشارة كهربائية، فإنه يُغمق ويحجب الضوء، مما يجعله مناسبًا جدًا لتلوين النوافذ عند الطلب.
ولكن في بحث جديد، اكتشف باحثو جامعة نورث كارولاينا مهارة مخفية جديدة تمامًا: عند إضافة الماء، فإنه يتحول إلى أكسيد التنغستن المائي، والذي يحتوي على إعدادات إضافية عند استخدامه في النوافذ الكهروضوئية.
عند إغلاقه، يظل شفافًا للضوء والحرارة، مما يجعله مثاليًا لأيام الشتاء الرتيبة عندما يحتاج الناس إلى أكبر قدر ممكن من الضوء والحرارة. عندما يتم حقن بعض الإلكترونات وأيونات الليثيوم في المادة، فإنها تمر أولاً بمرحلة حيث تحجب ضوء الأشعة تحت الحمراء (الذي يستشعر الحرارة) بينما تظل شفافة أمام الأطوال الموجية للضوء المرئي. وأخيرًا، مع دخول المزيد من الإلكترونات إلى المادة، فإنها تنتقل إلى مرحلة مظلمة حيث تحجب الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الصيف.
لا يزال السبب الدقيق وراء عمل هيدرات أكسيد التنغستن بهذه الطريقة غير مؤكد، لكن العلماء في جامعة نورث كارولينا لديهم فرضية.
وقالت جينيل فورتوناتو، المؤلفة الأولى للدراسة: "إن وجود الماء في البنية البلورية يجعل البنية أقل كثافة، لذا فهي أقل عرضة للتشوه عند حقن أيونات الليثيوم والإلكترونات في المادة". "فرضيتنا هي أنه نظرًا لأن هيدرات أكسيد التنغستن يمكن أن تستوعب أيونات الليثيوم أكثر من أكسيد التنغستن العادي قبل التشوه، يتم إنشاء وضعين. أحدهما هو الوضع "البارد"، حيث يؤثر حقن أيونات الليثيوم والإلكترونات على الخصائص البصرية ولكن البنية لم تتغير بعد، وهذا الوضع يمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء. ثم، بعد تغير البنية، يظهر الوضع "المظلم" الذي يحجب الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء."
على الرغم من عدم وجود نقص في مصممي النوافذ الديناميكية في السوق، إلا أنه لا تتوفر عادةً العديد من الأوضاع في نظام واحد. وحتى لو حدث ذلك، فإنه عادةً ما يتطلب جهازًا أكبر حجمًا. في هذه الحالة، نظرًا لأن هناك حاجة إلى مادة واحدة فقط، فإن سمك الزجاج ومتطلبات الطاقة تكون تقريبًا نفس متطلبات نوافذ أكسيد التنغستن العادية.
وقالت ديليا ميليرون، المؤلفة المشاركة في الدراسة: "إن اكتشاف تقنية التحكم في الضوء ثنائي النطاق (الأشعة تحت الحمراء والمرئية) في مادة واحدة معروفة بالفعل لمجتمع النوافذ الذكية قد يؤدي إلى تسريع تطوير المنتجات التجارية ذات الوظائف المحسنة".
ونُشر البحث في مجلة ACS Photonics.