"Lunettes intelligentes, " un produit écoénergétique que l'on trouve dans les nouvelles vitres des voitures, bâtiments et avions, change lentement entre transparent et teinté en appuyant simplement sur un interrupteur.

« Lentement » est le mot clé ; le verre intelligent typique prend plusieurs minutes pour atteindre son état sombre, et de nombreux cycles entre la lumière et l'obscurité ont tendance à dégrader la qualité de la teinture au fil du temps. Les chimistes de la Colorado State University ont mis au point une amélioration potentiellement majeure de la vitesse et de la durabilité du verre intelligent en offrant une meilleure compréhension du fonctionnement du verre à l'échelle nanométrique.

Ils proposent une conception alternative à l'échelle nanométrique pour le verre intelligent dans une nouvelle recherche publiée le 3 juin dans Actes de l'Académie nationale des sciences . Le projet a commencé comme un exercice de rédaction de subventions pour l'étudiant diplômé et premier auteur R. Colby Evans, dont l'idée - et la passion pour la chimie des matériaux à changement de couleur - s'est transformée en une expérience impliquant deux types de microscopie et faisant appel à plusieurs collaborateurs. Evans est conseillé par Justin Sambur, professeur adjoint au Département de chimie, qui est l'auteur principal de l'article.

Le verre intelligent qu'Evans et ses collègues ont étudié est « électrochrome, " qui fonctionne en utilisant une tension pour faire entrer et sortir des ions lithium, films transparents d'un matériau appelé oxyde de tungstène. "Vous pouvez le considérer comme une batterie que vous pouvez voir à travers, ", a déclaré Evans. Les panneaux de verre intelligents typiques en oxyde de tungstène prennent 7 à 12 minutes pour passer du clair au teinté.

Les nanoparticules se teintent plus rapidement

Les chercheurs ont spécifiquement étudié des nanoparticules d'oxyde de tungstène électrochromes, qui sont 100 fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain. Leurs expériences ont révélé que des nanoparticules uniques, par eux-mêmes, teinte quatre fois plus vite que les films des mêmes nanoparticules. C'est parce que les interfaces entre les nanoparticules piègent les ions lithium, ralentir le comportement de teinture. Heures supplémentaires, ces pièges à ions dégradent également les performances du matériau.

Pour étayer leurs revendications, les chercheurs ont utilisé la microscopie à transmission en champ clair pour observer comment les nanoparticules d'oxyde de tungstène absorbent et diffusent la lumière. Faire échantillon "verre intelligent, " ils ont fait varier la quantité de nanoparticules qu'ils ont placée dans leurs échantillons et ont observé comment les comportements de coloration changeaient à mesure que de plus en plus de nanoparticules entraient en contact les unes avec les autres. Ils ont ensuite utilisé la microscopie électronique à balayage pour obtenir des images à plus haute résolution de la longueur, largeur et espacement des nanoparticules, afin qu'ils puissent dire, par exemple, combien de particules ont été regroupées, et combien ont été dispersés.

Sur la base de leurs résultats expérimentaux, les auteurs ont proposé que les performances du verre intelligent pourraient être améliorées en fabriquant un matériau à base de nanoparticules avec des particules espacées de manière optimale, pour éviter les interfaces de piégeage d'ions.

Autres applications

Leur technique d'imagerie offre une nouvelle méthode pour corréler la structure des nanoparticules et les propriétés électrochromes; l'amélioration des performances des fenêtres intelligentes n'est qu'une application qui pourrait en résulter. Leur approche pourrait également orienter la recherche appliquée sur les batteries, réservoirs de carburant, condensateurs et capteurs.

"Grâce au travail de Colby, nous avons développé une nouvelle façon d'étudier les réactions chimiques dans les nanoparticules, et j'espère que nous tirerons parti de ce nouvel outil pour étudier les processus sous-jacents dans un large éventail de technologies énergétiques importantes, " dit Sambur.