Des nanocristaux d'oxyde d'indium et d'étain (illustrés ici en bleu) incrustés dans une matrice vitreuse d'oxyde de niobium (vert) forment un matériau composite qui peut basculer entre les états de transmission NIR et de blocage NIR avec une petite secousse électrique. Une interaction synergique dans la région où la matrice vitreuse rencontre le nanocristal augmente la puissance de l'effet électrochrome. Crédit :Berkeley Lab
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont conçu un nouveau matériau pour rendre les fenêtres intelligentes encore plus intelligentes. Le matériau est une fine couche de nanocristaux incrustés dans du verre qui peut modifier dynamiquement la lumière du soleil lorsqu'elle passe à travers une fenêtre. Contrairement aux technologies existantes, le revêtement assure un contrôle sélectif de la lumière visible et de la lumière proche infrarouge (NIR) produisant de la chaleur, Ainsi, les fenêtres peuvent maximiser à la fois les économies d'énergie et le confort des occupants dans un large éventail de climats.
"Aux Etats-Unis, nous dépensons environ un quart de notre énergie totale pour l'éclairage, chauffer et climatiser nos bâtiments, " dit Delia Milliron, un chimiste de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a dirigé cette recherche. "Lorsqu'il est utilisé comme revêtement de fenêtre, notre nouveau matériau peut avoir un impact majeur sur l'efficacité énergétique des bâtiments."
Milliron est l'auteur correspondant sur un article décrivant les résultats de la revue La nature . Le papier est intitulé, "Transmittance de la lumière proche infrarouge et visible accordable dans les composites nanocristal-en-verre, " co-écrit par Anna Llordés, Guillermo Garcia, et Jaume Gazquez.
Le groupe de recherche de Milliron est déjà bien connu pour sa technologie de fenêtre intelligente qui bloque le NIR sans bloquer la lumière visible. La technologie repose sur un effet électrochrome, où une petite secousse électrique fait basculer le matériau entre les états de transmission NIR et de blocage NIR. Ce nouveau travail fait passer leur approche au niveau supérieur en offrant un contrôle indépendant de la lumière visible et NIR. L'innovation a récemment été récompensée par un prix R&D 100 en 2013 et les chercheurs en sont aux premiers stades de la commercialisation de leur technologie.
Un matériau électrochrome double bande a été développé en liant des nanocristaux d'oxyde d'indium dopé à l'étain à une matrice d'oxyde de niobium amorphe. Ces films transparents sont capables de bloquer le rayonnement solaire de manière contrôlée, permettant à la lumière du jour et à la chaleur solaire d'être modulées de manière sélective et dynamique à travers les fenêtres. Crédit :Anna Llordés, Laboratoire national Lawrence Berkeley.
Le contrôle indépendant de la lumière NIR signifie que les occupants peuvent avoir un éclairage naturel à l'intérieur sans gain thermique indésirable, réduisant le besoin de climatisation et d'éclairage artificiel. La même fenêtre peut également être basculée en mode sombre, bloquant à la fois la lumière et la chaleur, ou à un brillant, mode entièrement transparent.
"Nous sommes très enthousiasmés par la combinaison d'une fonction optique unique avec la technique de traitement à faible coût et respectueuse de l'environnement, " dit Llordés, un scientifique du projet travaillant avec Milliron. "C'est ce qui fait de ce concept de 'fenêtre intelligente universelle' une technologie compétitive prometteuse."
Au cœur de leur technologie se trouve un nouveau matériau électrochrome "design", composé de nanocristaux d'oxyde d'indium et d'étain noyés dans une matrice vitreuse d'oxyde de niobium. Le matériau composite résultant combine deux fonctionnalités distinctes, l'une assurant le contrôle de la lumière visible et l'autre, contrôle sur le NIR, mais c'est plus que la somme de ses parties. Les chercheurs ont découvert une interaction synergique dans la minuscule région où la matrice vitreuse rencontre le nanocristal qui augmente la puissance de l'effet électrochrome, ce qui signifie qu'ils peuvent utiliser des revêtements plus minces sans compromettre les performances. La clé est que la façon dont les atomes se connectent à travers l'interface nanocristal-verre provoque un réarrangement structurel dans la matrice de verre.
L'interaction ouvre l'espace à l'intérieur du verre, permettant à la charge d'entrer et de sortir plus facilement. Au-delà des vitres électrochromes, cette découverte suggère de nouvelles opportunités pour les matériaux de batterie où le transport des ions à travers les électrodes peut être un défi.
Un matériau électrochrome double bande a été développé en liant des nanocristaux d'oxyde d'indium dopé à l'étain à une matrice d'oxyde de niobium amorphe. Ces films nanocomposites peuvent bloquer sélectivement la lumière visible et proche infrarouge, permettant des économies d'énergie dans les bâtiments en contrôlant dynamiquement la lumière du jour et la chaleur solaire à travers les fenêtres. Crédit :Anna Llordés, Delia Milliron et Services créatifs, Laboratoire national Lawrence Berkeley.
« Du point de vue de la conception des matériaux, nous avons montré que l'on peut combiner des matériaux très dissemblables pour créer de nouvelles propriétés qui ne sont pas accessibles dans un matériau monophasique homogène, soit amorphe soit cristallin, en prenant des nanocristaux et en les mettant dans du verre, " dit Milliron.
Mais pour Milliron, le parcours de recherche est encore plus satisfaisant que les découvertes scientifiques fondamentales ou les avancées technologiques seules.
« La partie la plus excitante a été de mener ce projet jusqu'à la synthèse d'un nouveau matériau, pour le comprendre dans les moindres détails, et enfin de réaliser une toute nouvelle fonctionnalité qui peut avoir un grand impact sur la technologie, " dit Milliron. " Accompagner un projet de développement de matériaux tout au long de ce processus est vraiment tout à fait remarquable. Cela parle vraiment de ce que nous pouvons faire au Berkeley Lab, où vous avez accès non seulement aux installations scientifiques, mais aussi à des personnes qui peuvent éclairer votre point de vue. »
