Les fenêtres intelligentes changent automatiquement de transparence lorsqu'une tension est appliquée. Cependant, l'une des raisons pour lesquelles ils ne sont pas plus répandus est que le polymère à l'intérieur se dilate et se rétrécit considérablement à chaque charge. Les chercheurs de l'Université Purdue ont surnommé cet effet "respiration mécanique".

« D'après nos expériences, il peut augmenter jusqu'à 30 pour cent en volume, " a déclaré Xiaokang Wang, un doctorat étudiant sous Kejie Zhao, un professeur adjoint de génie mécanique. « C'est une quantité énorme. Ces cycles d'expansion et de retrait exercent une contrainte et une tension énormes sur les matériaux des fenêtres. Cela provoque le délaminage des couches de la fenêtre, et puis la fenêtre intelligente ne fonctionne pas."

L'article de Wang sur la "respiration mécanique" a été publié dans le journal Communication Nature .

Les fenêtres intelligentes sont disponibles dans de nombreuses configurations différentes, mais les plus populaires sont appelés appareils électrochromes car ils changent de couleur lorsqu'une tension est appliquée. Sur l'avion Boeing 787 Dreamliner, par exemple, les passagers peuvent régler progressivement la transparence de leurs vitres grâce à l'électrochromie. Des fenêtres similaires sont désormais disponibles pour une installation à grande échelle dans les bâtiments, programmé pour s'assombrir progressivement les jours ensoleillés afin de réduire les coûts énergétiques.

Une fenêtre intelligente électrochrome typique a cinq couches, avec deux électrodes de chaque côté, une couche de stockage d'ions, une couche électrochrome, et un électrolyte au milieu. Jianguo Mei, professeur assistant de chimie organique à Purdue, avait expérimenté différentes recettes chimiques pour le matériau électrochrome à couche mince afin d'améliorer la fiabilité de la fenêtre. Mais la structure feuilletée d'une fenêtre intelligente rend difficile l'étude des composants individuels pendant le fonctionnement; l'ensemble du substrat à cinq couches n'a que 500 nanomètres d'épaisseur, moins de 1% de l'épaisseur d'un cheveu humain.

Mei a demandé l'aide de Zhao pour évaluer les propriétés mécaniques du film à l'échelle nanométrique. Zhao et Wang ont été choqués par les premiers tests.

"Le matériau a augmenté jusqu'à 30 pour cent en volume, mais aussi devenu moitié moins élastique et moitié moins dur, " a déclaré Wang.

Cette « respiration mécanique » a provoqué le froissement du matériau et sa poussée contre les autres couches du substrat. Les couches extérieures délaminées, empêchant les électrons de circuler et provoquant l'arrêt du fonctionnement du dispositif électrochrome.

"Dans nos expériences avec des échantillons non traités, nous avons vu un échec après seulement 100 cycles, " a déclaré Wang.

Ils ont commencé à peaufiner et à renforcer le matériau du substrat de l'électrode, rendre la surface rugueuse avec des nanoparticules de silice. Cette fiabilité mécanique accrue, survivre jusqu'à 8, 000 cycles. Mais ce n'est pas assez.

"Ces appareils doivent pouvoir supporter plus de 200, 000 cycles, " a déclaré Wang. "C'est un énorme écart!"

Wang et Zhao, avec le groupe de Mei au département de chimie, poursuivent leurs études dans l'espoir de fiabiliser ces appareils électrochromes.

« D'après nos expériences, nous construisons de nouveaux modèles théoriques, " a déclaré Wang. " Avec les scientifiques des matériaux et les chimistes, nous voulons trouver de nouveaux matériaux, nouvelles méthodes de traitement des matériaux, et de nouvelles conceptions mécaniques pour atteindre des durées de vie beaucoup plus élevées de ces appareils. »

Les fenêtres intelligentes ont le potentiel d'économiser d'énormes quantités d'énergie, devenir une partie normale et fiable des maisons, bureaux et véhicules. Mais tant que la fiabilité n'est pas améliorée, Les chercheurs de Purdue poursuivront leurs travaux.

"Je peux voir un avenir où des murs entiers seront des fenêtres intelligentes électrochromes, " Wang a dit. " Les gens peuvent profiter de la beauté du plein air tout en diminuant la consommation d'énergie en même temps. C'est un gagnant-gagnant!"