Учёные из Университета Райса и их коллеги разработали новое покрытие для стекла, которое может помочь сократить расходы на электроэнергию, особенно в холодное время года. Материал представляет собой прозрачную плёнку, в которой углерод вплетён в атомную решётку нитрида бора. Он образует тонкий, прочный слой, отражающий тепло, устойчивый к царапинам и защищённый от влаги, ультрафиолетового излучения и перепадов температур.
Исследователи смоделировали поведение материала в здании реальных размеров в таких городах с холодной зимой, как Нью-Йорк, Пекин и Калгари. Результаты показали, что материал позволяет сэкономить 2,9% энергии по сравнению с существующими альтернативами.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Materials, долговечность покрытия позволяет наносить его на внешнюю сторону стекла — это главное преимущество перед обычными покрытиями с низкой излучательной способностью (low-E).
Излучательная способность описывает способность материала излучать тепло в виде тепловой энергии; более низкие значения означают, что через стекло уходит меньше тепла. Традиционные покрытия low-E подвержены деградации под воздействием таких факторов окружающей среды, как влажность и перепады температур, поэтому их наносят на внутреннюю сторону окон.
«Хотя чистый нитрид бора имеет излучательную способность, близкую к стеклу, при добавлении небольшого количества углерода излучательная способность значительно снижается — и это меняет правила игры», — сказал Пуликкель Аджайан, профессор инженерии имени Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон в Университете Райса.
Для создания покрытия команда использовала импульсное лазерное напыление — метод, при котором короткие высокоэнергетические импульсы лазера воздействуют на твёрдую мишень из нитрида бора, вызывая образование плазменных факелов, которые рассеиваются в пар, а затем оседают на подложке, в данном случае — на стекле. Поскольку процесс происходит при комнатной температуре, он позволяет избежать высоких температур, обычно необходимых для изготовления клейких покрытий.
«С точки зрения синтеза нанесение нитрида бора на стекло поистине удивительно и очень интересно», — сказал Абхиджит Бисвас, ведущий автор исследования и эксперт в области синтеза тонких плёнок.
Аджайан отметил, что ту же технологию низкотемпературного нанесения нитрида бора можно адаптировать и для других материалов, помимо стекла, включая полимеры, текстиль и, возможно, даже биологические поверхности. Более того, другие масштабируемые методы, такие как рулонное химическое осаждение из газовой фазы или распыление, в конечном итоге могут сделать коммерческое производство возможным при правильной оптимизации процесса.
«Это значительно расширяет возможности применения покрытий из нитрида бора», — сказал Аджайан, который является автором исследования. Исследователи в его группе в Университете Райса уже много лет изучают рост тонких плёнок из нитрида бора, заинтересованные в выдающихся механических, термических и оптических свойствах материала.
С точки зрения сырья нитрид бора дешевле, чем серебро или оксид индия-олова, используемые в большинстве коммерческих low-E стёкол. Однако исследователи предостерегают от прямого сравнения затрат, поскольку материалы различаются по долговечности, методам обработки и технологической зрелости. Тем не менее команда видит перспективы в долгосрочной работе покрытия, особенно в суровых условиях, где существующие материалы не справляются.
Для оценки оптической прозрачности покрытия и его потенциала для экономии энергии в зданиях команда Университета Райса сотрудничала с И. Лонгом, соавтором исследования из Китайского университета Гонконга, чья группа занимается функциональными материалами для технологий умных окон. Лонг подчеркнул долговечность покрытия в наружных условиях как ключевое отличие от существующих технологий.
«Высокая атмосферостойкость делает его первым низкоэмиссионным покрытием для окон, обращённых наружу, с энергосберегающей способностью, которая явно превосходит аналог для внутренней стороны», — сказал Лонг. «Это может стать отличным решением в условиях плотной застройки».
Шаньчэн Ван также внёс значительный вклад в исследование, особенно в части энергосбережения. «Уровень прозрачности и многообещающая низкая излучательная способность делают стекло с покрытием из легированного углеродом материала конкурентоспособным вариантом энергосбережения для таких городов, как Пекин и Нью-Йорк», — сказал Ван.
Помимо Университета Райса и Китайского университета Гонконга, в команду вошли сотрудники из Университета штата Аризона, Корнельского университета и Университета Торонто.
Предоставлено Университетом Райса.