Вчені створили покриття для скла що знижує витрати на опалення

Дослідники з Університету Райса розробили інноваційне покриття для скла, яке може суттєво знизити витрати на опалення будівель завдяки зменшенню втрат тепла через вікна. Нова технологія особливо актуальна в холодний сезон, коли проблема енергоефективності стоїт найгостріше.

Матеріал являє собою прозору плівку, створену шляхом вплетення вуглецю в атомну решітку нітриду бору. Це покриття формує тонкий, але міцний шар, який відбиває тепло, протистоїть подряпинам та не піддається впливу вологи, ультрафіолетового випромінювання та температурних коливань.

Команда вчених провела моделювання поведінки матеріалу в реальних умовах будівель у містах з холодними зимами, таких як Нью-Йорк, Пекін та Калгарі. Результати показали покращення енергозбереження на 2,9 відсотка порівняно з існуючими альтернативами. Враховуючи, що лише в США щорічно встановлюють понад чотири мільярди квадратних футів нових вікон, потенційна економія може бути значною.

Згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Advanced Materials, довговічність покриття дозволяє розміщувати його на зовнішній стороні скла, що є важливою перевагою над традиційними низькоемісійними покриттями. Емісійність описує здатність матеріалу випромінювати тепло у вигляді теплової енергії, і нижчі значення означають менші втрати тепла через скло.

Традиційні низькоемісійні покриття схильні до деградації під впливом факторів навколишнього середовища, таких як вологість та температурні коливання, що вимагає їх розміщення на внутрішній стороні вікон.

Пуліккел Аджаян, професор інженерії та матеріалознавства в Університеті Райса, пояснює механізм дії нового матеріалу: «Хоча чистий нітрид бору показує майже таку ж емісійність, як скло, коли ви додаєте невелику кількість вуглецю, емісійність значно знижується, і це повністю змінює гру».

Для створення покриття команда використовувала імпульсне лазерне осадження — техніку, при якій короткі високоенергетичні лазерні спалахи вражають тверду мішень з нітриду бору, створюючи плазмові шлейфи, які розсіюються у пару, а потім осідають на підкладку, в даному випадку на скло. Оскільки процес відбувається за кімнатної температури, він уникає високих температур, які зазвичай потрібні для створення адгезивних покриттів.

Абхіджит Бісвас, провідний автор дослідження та експерт з синтезу тонких плівок, відзначає унікальність технології: «З точки зору синтезу, нанесення нітриду бору на скло справді дивовижне і дуже захоплююче».

Аджаян зазначив, що та ж низькотемпературна техніка осадження нітриду бору може бути адаптована для інших матеріалів, крім скла, включаючи полімери, текстиль і навіть біологічні поверхні. Більше того, інші масштабовані техніки, такі як хімічне осадження з парової фази або розпилення, могли б зрештою зробити комерційне виробництво можливим за умови правильної оптимізації процесу.

«Це значно розширює простір застосування покриттів з нітриду бору», каже Аджаян, який є відповідальним автором дослідження. Дослідники його групи в Райсі роками вивчали ріст тонких плівок нітриду бору, цікавлячись видатними механічними, тепловими та оптичними властивостями матеріалу.

З точки зору сировини нітрид бору менш дорогий, ніж срібло або оксид індію-олова, які використовуються в більшості комерційних низькоемісійних скляних виробів. Проте дослідники застерігають від прямих порівнянь вартості, оскільки матеріали відрізняються за довговічністю, методами обробки та технологічною зрілістю. Незважаючи на це, команда бачить перспективи в довгостроковій продуктивності покриття, особливо в суворих умовах, де існуючі матеріали не справляються.

Для оцінки оптичної прозорості покриття та потенціалу енергозбереження в будівлях команда Райса співпрацювала з Йі Лонгом, співавтором з Китайського університету Гонконгу, група якого зосереджується на функціональних матеріалах для технологій розумних вікон. Лонг підкреслює довговічність покриття в зовнішніх умовах як ключову відмінність від існуючих технологій.

«Висока атмосферостійкість робить його першим зовнішнім низькоемісійним покриттям для вікон з енергозберігаючою здатністю, яка явно перевершує внутрішній аналог», каже Лонг. «Це могло б бути відмінним рішенням у щільно забудованих середовищах».

Шанчен Ван також зробив значний внесок у дослідження, особливо в аспекті енергозбереження. «Рівень прозорості та багатообіцяюча низька емісійність робить скло з покриттям, легованим вуглецем, конкурентоспроможним варіантом енергозбереження для таких міст, як Пекін та Нью-Йорк», каже Ван.

Крім Райса та Китайського університету Гонконгу, до команди увійшли співробітники з Університету штату Арізона, Корнельського університету та Університету Торонто.

Підтримку дослідження надали Управління наукових досліджень ВПС, Космічний інститут Райса, Департамент ВМС, Управління військово-морських досліджень, Національний науковий фонд США, Дослідницька лабораторія армії DEVCOM, Програма модернізації високопродуктивних обчислень Міністерства оборони США, Міністерство енергетики США, Рада природничих наук та інженерних досліджень Канади, Канадський фонд інновацій, уряд Гонконгу та інші організації.

Нова технологія може стати важливим кроком у напрямку підвищення енергоефективності будівель та зменшення витрат на опалення, особливо в умовах зростаючих цін на енергоносії та необхідності скорочення викидів парникових газів.