Los investigadores de la Escuela de Ingeniería de Cockrell en la Universidad de Texas en Austin están un paso más cerca de ofrecer ventanas inteligentes con un nuevo nivel de eficiencia energética. Utilizan materiales de ingeniería que permiten a las ventanas dar toda la luz sin transferencia de calor y, por el contrario, bloquear la luz al tiempo que permite la transmisión de calor, como se describe en dos nuevos trabajos de investigación.

Al permitir que los ocupantes del interior controlen con mayor precisión y rapidez el calor y la luz solar que pasa a través de una ventana-gracias a la capacidad del nuevo tipo de cristal de ajustarse electrónicamente para bloquear de forma selectiva gran parte de la luz visible y la luz que genera calor- los costes de calefacción y refrigeración de edificios podrían reducirse significativamente. Aunque otros cristales inteligentes ya existen desde hace décadas, resultan caros y solo se han aplicado para algunos nichos de mercado como las ventanas del nuevo avión comercial de Boeing. Además, los cristales que se comercializan en la actualidad sólo pueden bloquear el componente visible de los rayos solares, permitiendo pasar la fracción invisible infrarroja responsable del calor.

Control independiente de luz y calor

En 2013, la profesora de ingeniería química Delia Milliron y su equipo se convirtieron en los primeros en desarrollar materiales electro crómicos de doble banda en los cuales se mezclan dos materiales con propiedades ópticas distintas para el control selectivo de la luz en el espectro del infrarrojo cercano y visible que produce calor (NIR). En una edición de 2013 la revista Nature, el grupo de investigación de Milliron demostró cómo, usando una pequeña descarga eléctrica, un material de nanocristales podría cambiarse de ida y vuelta, permitiendo el control independiente de la luz y del calor. En esencia el conjunto incluye un marco de nanocristales hecho de un material conductor incrustado en un material vidrioso. Este material vidrioso y los nanocristales tienen propiedades ópticas distintas, que cambian cuando los materiales son cargados o descargados eléctricamente. Mientras que los nanocristales pueden bien bloquear la luz cercana al infrarrojo o bien dejar que pase, el material vidrioso puede cambiar entre un estado transparente y otro que bloquea la luz visible.

El equipo ahora ha diseñado dos nuevos avances en materiales electro crómicos – un modo de enfriamiento y un modo de calentamiento altamente selectivos – que no se creía posible hace varios años.

El material de modo frío supone un paso importante hacia un producto comercializable, ya que permite el control del 90 por ciento de NIR y el 80 por ciento de la luz visible del sol y requiere tan sólo unos minutos para cambiar entre los modos. El material del cual se informó en estudios anteriores podía llegar a requerir horas para este cambio.

Para lograr este alto rendimiento, Milliron y un equipo, incluyendo al investigador postdoctoral Jongwook Kim de la Escuela Cockrell y al colaborador Brett Helms del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, desarrolló una nueva arquitectura nanoestructurada para materiales electro crómicos que permite en un modo de enfriamiento bloquear la luz del infrarrojo cercano, a la vez que permite que la luz visible brille a través de el. Esto podría ayudar a reducir los costos de energía para la climatización de edificios y casas durante el verano. Los investigadores informaron de la nueva arquitectura en Nano Letters a finales de julio de 2015.

«Creemos que nuestro nuevo nanocompuesto podría ser visto como un material modelo, que establezca las bases para el diseño ideal de un material electrocrómico de banda dual «, dijo Milliron. «Este material podría ser ideal para su aplicación como ventana electrocrómica inteligente para edificios.»

En su articulo de investigación, el equipo demuestra cómo el nuevo material puede modular la luz visible y NIR con fuerza y ​​de forma selectiva aplicando un pequeño voltaje.

Para optimizar el rendimiento de la electrocromia para su uso práctico, el equipo organizó los dos componentes del material compuesto con una arquitectura especifica, creando una red porosa inter-penetrante. La arquitectura marco proporciona canales para el desplazamiento rápido de iones y electrones entre el material vidrioso y los nanocristales. Esta organización permite cambiar entre los modos a una velocidad considerablemente superior.

Los investigadores están trabajando para producir un material nanocompuesto de estructura similar por métodos sencillos, adecuados para la fabricación de bajo costo.

En un segundo artículo de investigación, Milliron y su equipo, incluyendo el estudiante graduado Clayton Dahlman de la Escuela Cockrell, ha informado de una prueba de concepto que demuestra cómo pueden conseguir propiedades de control óptico en ventanas a partir de una película de un solo componente bien elaborado. El concepto incluye un recubrimiento simple que crea un nuevo modo de calentamiento, en la que la luz visible puede ser bloqueada, mientras que la luz del infrarrojo cercano puede entrar. Este nuevo escenario podría ser más útil en un día soleado de invierno, cuando el ocupante querría que la radiación infrarroja pase al interior del edificio para aprovechar su calor, pero a la vez desee que el resplandor de la luz solar se reduzca.

En este trabajo, publicado en la Revista de la Sociedad Química Americana, Milliron demostró que un recubrimiento que contiene un único componente – nanocristales de óxido de titanio dopados – podría demostrar un control dinámico sobre la transmitancia de la radiación solar. Debido a dos mecanismos distintos de carga que se encuentran a diferentes voltajes aplicados, este material puede bloquear selectivamente la radiación visible o infrarroja.

«Estos dos avances muestran que un control dinámico sofisticado de la luz del sol es posible «, dijo Milliron. «Creemos que nuestros materiales deliberadamente diseñados en base a nanocristales podrían cumplir con los objetivos de rendimiento y costes necesarios para avanzar hacia la comercialización de ventanas inteligentes.»

Ambos estudios recibieron fondos del Departamento de Energía de EE.UU. y la Fundación Welch, así como del Programa de Becas de Postgrado de la National Science Foundation, NSF.

La Universidad de Texas (UT) en Austin está comprometida con la transparencia y la divulgación de todos los posibles conflictos de interés. La investigadora de la UT involucrada en este proyecto, Delia Milliron, es el directora científica y posee una participación en Heliotrope Technologies, una compañía en etapa temprana centrada en el desarrollo de nuevos materiales y procesos de fabricación para los dispositivos electrocrómicos con énfasis en ventanas inteligentes para ahorro de energía. Milliron está asociada mediante las patentes con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley con licencia para Heliotrope Technologies. Su colaborador Brett Helms es miembro del consejo asesor científico de Heliotrope y posee acciones de la empresa. El presidente de Heliotrope Technologies, Jason Holt, dice que la empresa espera llevar sus primeros productos al mercado en 2017.

Fuente: Universidad de Texas, Austin