Smarte Fenster: Dunkel oder isolierend auf Knopfdruck
Wolframoxid-Kristalle mit eingelagerten Wassermolekülen dienen als Basis für dreifach schaltbare Scheiben. Damit kann man smarte Fenster verdunkeln.
Einbau eines Fensters.
(Bild: Africa Studio / Shutterstock.com)
- Jan Oliver Löfken
Schaltbare Fenster, die sich auf Knopfdruck verdunkeln und undurchsichtig werden, sind seit einigen Jahren auf dem Markt. Die Grundlage für eine noch clevere Variante dynamischer Fenster entwickelten nun Forscher um Veronica Augustyn von der North Carolina State University in Raleigh und stellten diese in der Fachzeitschrift "ACS Photonics" vor. Auf der Basis des elektrochromen Materials Wolframoxid entwickelten sie eine Scheibe, die sich nicht zwischen zwei, sondern drei Zuständen schalten ließ. In einem ersten Schritt konnte so effizient Wärmestrahlung und in einem zweiten Schritt zusätzlich sichtbares Licht blockiert werden.
Schicht aus Hydrat
Grundlage für diesen sogenannten Dual-Band-Elektrochromismus bilden Kristalle aus Wolframoxidhydrat. In diesem Material sind in die Kristallstruktur von Wolframoxid zusätzlich Wassermoleküle eingelagert. Das Team um Augustyn beschichtete nun eine Glasscheibe mit einer hauchdünnen und durchsichtigen Schicht aus diesem Hydrat. In ihrem Experiment diente es als Elektrode einer elektrochemischen Zelle. Als Gegenelektrode wählten sie eine Folie aus Lithium und als flüssigen Elektrolyten dazwischen eine Lösung aus Lithiumperchlorat.
An diese elektrochemische Zelle legten die Forschenden nun elektrische Spannungen zwischen 1,5 und vier Volt an. Nach einigen Sekunden trat die erste Änderung der optischen Eigenschaften der beschichteten Glaselektrode auf: Die hauchdünne Lage aus Wolframoxidhydrat wurde undurchlässig für Wellenlängen im nahen Infrarotbereich und konnte so Wärmestrahlung blockieren. Lag die elektrische Spannung noch etwas länger bis zu 15 Sekunden an, verdunkelte sich die Glaselektrode und wurde zusätzlich völlig undurchsichtig. Diese Wechsel der optischen Eigenschaften waren bei umgepolter Spannung reversibel.
Pfiffiger Aufbau
Die exakte Ursache für dieses Verhalten kennen die Forscher noch nicht. Doch vermuten sie, dass die Hydrat-Variante von Wolframoxid mehr Lithium-Ionen aufnehmen kann als wasserfreies Wolframoxid. So könnte der Einbau dieser Ionen zuerst zur Blockade von Wärmestrahlung führen. Und erst danach tritt ein Phasenwechsel zu der völlig undurchsichtigen Variante ein. Diese Hypothese will das Team mit weiteren Experimenten mit anderen Metalloxiden und genauen Strukturanalysen überprüfen.
Bis zu nutzbaren, zweifach schaltbaren Fenstern für sichtbares Licht und Wärmestrahlung ist dagegen noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig. So müsste gezeigt werden, dass der Wechsel der optischen Eigenschaften viele Tausend Male gelingt. Zudem erfordert ein solches Fenster einen pfiffigen Aufbau, um den flüssigen Elektrolyten sicher einzuschließen. Zudem müssten die elektrischen Kontakte so geschickt angeordnet werden, dass sie nach dem Einbau der schaltbaren Fenster nicht sichtbar sind.
(bsc)