«Умное» стекло удержит тепло, оставаясь прозрачным для света. Нанотехнологии.

Причём, в отличие от прежних образцов, это можно будет сделать без нагрева до значительных температур — одним лишь изменением прикладываемого напряжения, уверяет Масаки Накано (Masaki Nakano) из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония),

 который первым научился переключать разные состояния термохромного материала не увеличением температуры, а лишь статическим электричеством.

В отключённом состоянии (вверху) плёнка диоксида ванадия прозрачна и в видимом, и в ИК-диапазоне. А к когда транзистор работает, на плёнку из оксида попадают заряженные молекулы, меняя её состояние и кристаллическую структуру. Для взгляда при этом ничто не меняется, но ИК-лучи больше не могут ни войти в пространство за стекло, ни выйти из него. (Илл. AIP Publishing.)

При 68 °С прозрачный диоксид ванадия становится непрозрачным в ИК-диапазоне, в то же время оставаясь проницаемым для наших зорких глаз. Время такого перехода равно всего 100 фс, а само соединение из диэлектрического состояния мигрирует в проводящее. Оба превращения происходят в силу резкого изменения структуры кристаллов диоксида ванадия. Казалось бы, вот они — бессчётные области применения, да только нагревать стекло до 68 °С «и обратно» не всегда удобно. 

Это не первая попытка переключения материала из диэлектрического в электропроводящее состояние посредством электрополя, однако до сих пор нужные значения оказывались слишком высоки — а следовательно, непрактичны. Поэтому японские учёные создали разновидность полевого транзистора, в котором напряжение затвора контролирует приводимость канала из диоксида ванадия, расположенного между истоком и стоком устройства. В опытном двухслойном устройстве вывод затвора находится не сверху канала из диоксида ванадия, а прямо перед ним, что не даёт блокировать им свет, проходящий через термохромный материал. 

Элементы транзистора покрыты ионной жидкостью, содержащей положительные и отрицательные молекулы. Когда к ней прикладывают напряжение, положительно заряженные молекулы накапливаются в нанометровом (по толщине) слое поверх оксида ванадия, создавая сравнительно сильное локальное электрическое поле. Это и инициирует переход из диэлектрического в металлическое состояние сразу во всём 50-нанометровом слое диоксида ванадия, после чего он перестаёт пропускать инфракрасное излучение.

Напряжение, прикладываемое к образцу «умного» стекла, увеличивается с 1 всего лишь до 3 В, а проводимость и светопропускающие параметры, напротив, меняются так, как если бы материал нагревался с 30 до 77 °C. Почти никаких посторонних потерь при этом нет, и энергопотребление «заблокированного умного» стекла ничтожно низко. «Мы думаем, что устройство весьма пригодится будущему обществу низкого энергопотребления», — не без оснований мечтает г-н Накано. Хотя его группе ещё только предстоит добиться сходных результатов на больших образцах, нельзя не согласиться: новинка действительно очень перспективна.

Главный источник энергопотерь дома с современными окнами — ИК-излучение, улетучивающееся из помещений через стёкла. В теории его можно блокировать ставнями и прочим, но их нагрев, увы, вновь порождает ИК-утечки. Создание непроницаемого для ИК-диапазона «умного» стекла в первую очередь найдёт применение в автопроме и аэрокосмической индустрии, борющихся за контроль температуры внутри салона. Достаточно напомнить, что алгоритм, поддерживающий приемлемый для пассажиров температурный режим в электромобиле Tesla Model S, ради экономии энергии часто отказывается от нагрева воздуха в пользу подогрева сидений, ибо так расходуется меньше запасённого электричества. Способность перекрыть основной канал утечек тепла из салона позволит серьёзно снизить как энергетические расход на климат-контроль, так и общие требования к мощности климатической установки.

Разумеется, подобные «умные» окна важны и для наших с вами жилищ. Теплопотери через обычные стёкла несравнимо выше автомобильных, и их снижение в эпоху дорогих энергоносителей живо интересует всех и каждого.