Новое покрытие для стекла может помочь сократить расходы на электроэнергию, особенно в холодное время года, предотвращая потери тепла через негерметичные окна.
Материал — прозрачная плёнка, созданная путём внедрения углерода в атомную решётку нитрида бора — образует тонкий, прочный слой, который отражает тепло, устойчив к царапинам, а также не боится 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 это покрытие позволяет сэкономить 2,9% энергии по сравнению с существующими альтернативами.
С учётом того, что в одних только США ежегодно устанавливается более 4 миллиардов квадратных футов новых окон, экономия может быть значительной.
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 она значительно снижается — и это полностью меняет правила игры», — говорит Пуликкель Аджайан, профессор инженерии, материаловедения и наноинженерии 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 виде пара, 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 адгезивных покрытий.
«С точки зрения синтеза нанесение нитрида бора на стекло — это поистине удивительное и очень интересное явление», — говорит Абхиджит Бисвас, ведущий автор исследования и эксперт в области синтеза тонких плёнок.
Аджайан отметил, что ту же самую технологию нанесения нитрида бора при низкой температуре можно адаптировать и для других материалов, помимо стекла, включая полимеры, текстиль и, возможно, даже биологические поверхности. Более того, другие масштабируемые методы, такие как химическое парофазное осаждение методом «рулон к рулону» или распыление, в конечном итоге могут сделать коммерческое производство возможным при правильной оптимизации процесса.
«Это значительно расширяет возможности применения покрытий из нитрида бора», — говорит Аджайан, являющийся соответствующим автором исследования. Исследователи в его группе в Университете Райса уже много лет изучают рост тонких плёнок из нитрида бора, интересуясь выдающимися механическими, термическими и оптическими свойствами этого материала.
С точки зрения сырья нитрид бора дешевле, чем серебро или оксид олова-индия, используемые в большинстве коммерческих стёкол с низкой излучательной способностью. Тем не менее исследователи предостерегают от прямого сравнения затрат, поскольку материалы различаются по долговечности, методам обработки и технологической зрелости.
Тем не менее команда видит потенциал 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 из Райса сотрудничала с И Лун, соавтором исследования из Китайского университета Гонконга, группа которого занимается функциональными материалами для технологий «умных окон». Лун подчёркивает долговечность покрытия в наружных условиях как ключевое отличие от существующих технологий.
«Высокая атмосферостойкость делает его первым наружным покрытием low-E для окон с энергосберегающей способностью, которая явно превосходит аналог для внутренней стороны», — говорит Лун. «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 углеродным покрытием конкурентоспособным вариантом энергосбережения для таких городов, как Пекин и Нью-Йорк», — говорит Ван.
Помимо Университета Райса и Китайского университета Гонконга, в команду вошли сотрудники из Университета штата Аризона, Корнельского университета и Университета Торонто.
Исследование было поддержано следующими организациями:
* Управление научных исследований ВВС США;
* Clarkson Aerospace Corp.;
* Космический институт Райса;
* Управление военно-морских исследований Министерства обороны США;
* Национальный научный фонд США;
* Управление исследований армии DEVCOM;
* Программа модернизации высокопроизводительных вычислений Министерства обороны США;
* Министерство энергетики США;
* Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады;
* Канадский фонд инноваций;
* Правительство Гонконга;
* Китайский университет Гонконга;
* Программа 2024 Shenzhen-Hong Kong-Macau Science and Technology Program and Innovation and Technology Fund.
Содержание статьи является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальные взгляды финансирующих организаций и учреждений.
Источник: Университет Райса.