Новое покрытие для стекла, разработанное исследователями и сотрудниками Университета Райса, может помочь сократить счета за электроэнергию, особенно в холодное время года, предотвращая потерю тепла из-за протекающих окон. Материал — прозрачная пленка, полученная путем вплетания углерода в атомную решетку нитрида бора — образует тонкий, прочный слой, который отражает тепло, устойчив к царапинам и не боится влаги, ультрафиолетового излучения и перепадов температуры.

Исследователи смоделировали, как материал будет вести себя в здании реального размера в городах с холодными зимами, таких как Нью-Йорк, Пекин и Калгари, показав, что он улучшил экономию энергии на 2,9% по сравнению с существующими альтернативами. С учетом того, что только в США ежегодно устанавливается более 4 миллиардов квадратных футов новых окон, экономия может увеличиться.

Согласно исследованию, опубликованному в Передовые материалыдолговечность покрытия позволяет размещать его на внешней стороне стекла, что является серьезным преимуществом по сравнению с обычными покрытиями с низким коэффициентом излучения (low-E).

Излучательная способность описывает способность материала излучать тепло в виде тепловой энергии; Более низкие значения означают меньшую утечку тепла через стекло. Традиционные покрытия с низким уровнем выбросов подвержены деградации под воздействием факторов окружающей среды, таких как влажность и колебания температуры, что требует их размещения на внутренних сторонах окон.

«Хотя чистый нитрид бора демонстрирует почти такую же излучательную способность, как стекло, когда вы добавляете к нему небольшое количество углерода, излучательная способность значительно снижается, и это полностью меняет правила игры», — сказал Пуликел Аджаян, профессор инженерии Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон, а также профессор материаловедения и наноинженерии.

Для создания покрытия команда использовала импульсное лазерное осаждение, метод, при котором короткие высокоэнергетические лазерные всплески поражают твердую мишень из нитрида бора, искря плазменные шлейфы, которые рассеиваются в пар, а затем оседают на подложке; в данном случае – стекло. Поскольку процесс происходит при комнатной температуре, это позволяет избежать высокой температуры, обычно необходимой для изготовления адгезивных покрытий.

«С точки зрения синтеза, нанесение покрытия нитридом бора на стекло действительно удивительно и очень интересно», — сказал Абхиджит Бисвас, ведущий автор исследования и эксперт по синтезу тонких пленок.

Аджаян отметил, что тот же метод низкотемпературного осаждения нитрида бора может быть адаптирован для других материалов, помимо стекла, включая полимеры, текстиль и, возможно, даже биологические поверхности. Более того, другие масштабируемые методы, такие как химическое осаждение из газовой фазы или распыление, могут в конечном итоге сделать возможным коммерческое производство при правильной оптимизации процесса.

«Это значительно расширяет область применения покрытий из нитрида бора», — сказал Аджаян, который является автором исследования. Исследователи из его группы в Университете Райса изучали рост тонких пленок нитрида бора в течение многих лет, интересуясь выдающимися механическими, термическими и оптическими свойствами материала.

С точки зрения сырья, нитрид бора дешевле, чем оксид серебра или индия олова, используемый в большинстве коммерческих низкоэмиссионных стекол. Тем не менее, исследователи предостерегают от прямого сравнения стоимости, поскольку материалы различаются по долговечности, методам обработки и технологической зрелости. Тем не менее, команда видит перспективы в долгосрочных характеристиках покрытия, особенно в суровых условиях, где существующие материалы не справляются с нагрузкой.

Чтобы оценить оптическую прозрачность покрытия и потенциал экономии энергии в зданиях, команда Райса сотрудничала с Йи Лонгом, соавтором из Китайского университета Гонконга, чья группа специализируется на функциональных материалах для технологий умных окон. Лонг подчеркнул долговечность покрытия в наружных условиях как ключевое отличие от существующих технологий.

«Высокий уровень погодыЭто делает его первым наружным покрытием для окон с низким уровнем выбросов и энергосберегающей способностью, которая явно превосходит аналог для внутреннего использования», — сказал Лонг. «Это может быть отличным решением в условиях плотной застройки».

Шаньчэн Ван также внес значительный вклад в исследования, особенно в отношении угла энергосбережения.

«Уровень прозрачности и многообещающая низкая излучательная способность делают стекло с углеродным покрытием конкурентоспособным вариантом энергосбережения для таких городов, как Пекин и Нью-Йорк», — сказал Ван.

Помимо Университета Райса и Китайского университета Гонконга, в команду вошли сотрудники из Университета штата Аризона, Корнелльского университета и Университета Торонто.