Crédit :Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH)
Les fenêtres intelligentes qui changent automatiquement de couleur en fonction de l'intensité de la lumière du soleil attirent l'attention car elles peuvent réduire les factures d'énergie en bloquant les rayons visibles du soleil pendant l'été. Mais qu'en est-il des fenêtres qui changent de couleur en fonction de l'humidité extérieure pendant la mousson ou les chaudes journées d'été ?
Récemment, une équipe de recherche coréenne a développé la technologie source pour les fenêtres intelligentes qui changent de couleur en fonction de la quantité d'humidité, sans avoir besoin d'électricité.
L'équipe de recherche conjointe composée du professeur Junsuk Rho des départements de génie mécanique et chimique, Jaehyuck Jang et Aizhan Ismukhanova du département de génie chimique de POSTECH, et le professeur Inkyu Park du département de génie mécanique de KAIST. Ensemble, ils ont développé avec succès un filtre à couleur variable utilisant une structure de résonateur métal-hydrogel-métal utilisant un hydrogel à base de chitosane et l'ont combiné avec des cellules solaires pour créer un capteur d'humidité autonome. Ces résultats de recherche ont été publiés comme article de couverture dans la dernière édition de Matériaux optiques avancés , une revue spécialisée dans les nanosciences et l'optique.
Les capteurs utilisant la lumière sont déjà largement utilisés dans notre vie quotidienne pour mesurer l'ECG, qualité de l'air, ou la distance, par exemple. Le principe de base est d'utiliser la lumière pour détecter les changements dans l'environnement et les convertir en signaux numériques.
L'interférence Fabri-Pero est l'un des phénomènes de résonance qui peut être appliqué dans les capteurs optiques et peut être matérialisé sous la forme de films minces multicouches de métal-diélectrique-métal. Il est connu que la longueur d'onde de résonance de la lumière transmise peut être contrôlée en fonction de l'épaisseur et de l'indice de réfraction de la couche diélectrique. Cependant, les résonateurs métal-diélectrique-métal existants présentent un inconvénient majeur de ne pas pouvoir contrôler les longueurs d'onde de la lumière transmise une fois fabriqués, rendant difficile leur utilisation dans des capteurs variables.
Capteur d'humidité combinant filtre variable et cellules solaires. Crédit :Junsuk Rho (POSTECH)
L'équipe de recherche a découvert que lorsque l'hydrogel de chitosane est transformé en structure métal-hydrogel-métal, la longueur d'onde de résonance de la lumière transmise change en temps réel en fonction de l'humidité de l'environnement. En effet, l'hydrogel de chitosane répète l'expansion et la contraction à mesure que l'humidité change autour de lui.
En utilisant ce mécanisme, l'équipe a développé un capteur d'humidité qui peut convertir l'énergie lumineuse en électricité en combinant une batterie solaire avec un filtre à eau à longueur d'onde variable constitué d'un métamatériau structuré métal-hydrogel-métal qui modifie la longueur d'onde de résonance en fonction de l'humidité extérieure.
Le principe de conception est de chevaucher la longueur d'onde de résonance du filtre avec la longueur d'onde où l'absorption des cellules solaires change rapidement. Ce filtre est conçu pour modifier la quantité d'absorption de lumière des cellules solaires en fonction de la quantité d'humidité, et conduire à des changements électriques qui finissent par détecter l'humidité environnante.
Contrairement aux capteurs d'humidité optiques conventionnels, ceux nouvellement développés fonctionnent quel que soit le type de lumière, que ce soit naturel, LED ou intérieur. Aussi, non seulement il fonctionne sans alimentation externe, mais il peut aussi prédire l'humidité en fonction de la couleur du filtre.
Le professeur Junsuk Rho, qui a dirigé la recherche, a commenté :"Cette technologie est une technologie de détection qui peut être utilisée dans des endroits comme les réacteurs nucléaires où les gens et l'électricité ne peuvent pas atteindre." Il ajouta, "Il créera une synergie encore plus grande s'il est combiné à la technologie IoT telle que les capteurs d'humidité qui s'activent ou les fenêtres intelligentes qui changent de couleur en fonction du niveau d'humidité extérieure."
