Интеллектуальные материалы отличается способностью реагировать на смену окружающей среды, вызванные специфическими импульсами, например, тепловыми, световыми, химическими, электрическими, химическими. Происходит немедленное и предсказуемое изменение внутренней структуры материала.
Благодаря развитию материальной инженерии, умные продукты все чаще применяются в разных отраслях промышленности, таких как электроника, спорт, медицина и автомобилестроение. Их использование в строительной отрасли все еще относительно невелико. Наиболее часто они представлены в группе строительных стекол, которые благодаря современным технологиям материальной инженерии, имеют возможность контролировать доступ к солнечной радиации. Это ценное свойство позволяет более эффективно использовать тепловую и световую энергию солнца, чем раньше. Импульс вызывает видимый эффект – изменение прозрачности или цвета стекла. Фактически, поглощающие, проводящие или отражающие свойства светового излучения изменяются.
Существует множество типов стекла с различными свойствами. Они содержат в себе информацию о импульсе и создаваемом им эффекте . Импульсом может быть, например, изменение температуры (термо-), света (фото-), электрического (электро-) или химического (химио-) свойства. В результате – изменение цвета ( хроматическое ) или другие оптические свойства, чаще всего проявляющихся приглушением. Например, фотохромное стекло меняет цвет под воздействием света, а электротропное стекло становится тусклым под действием электрического импульса.
Основное разделение умного смарт стекла различает две группы:
- К первой группе относятся продукты, работа которых обусловлена неконтролируемым импульсом окружающей среды, например, температурой воздуха или интенсивностью солнечного света. Стекло меняется автоматически, реагируя на воздействие окружающей среды.
- Вторая группа – это изделия, работающие под действием управляемого импульса, например, электрического импульса. Лучше всего их описать термином “переключаемые”, так как изменение может быть вызвано по запросу, независимо от внешних условий.
Термотропное стекло
Термотропное стекло реагирует на температуру окружающей среды и в результате – темнеет. Благодаря этому свойству, проникновение солнечного излучения внутрь стеклянной поверхности автоматически прекращается, когда температура окружающего воздуха достигает определенного значения (оно определяется в процессе производства и его невозможно изменить в готовом изделии). Поэтому проблему перегрева и экранирования внутри помещений в периоды интенсивной инсоляции, можно избежать без использования дополнительных солнцезащитных систем.
Для достижения этого эффекта используются термотропные полимеры, которые реагируют на изменения температуры, трансформируя конфигурацию частиц во внутренней структуре. Колебания в диапазоне пропускания света составляют от 80 до 90% в прозрачном состоянии, от 10 до 50% в матовом состоянии, и в области пропускания солнечной энергии они колеблются между 80-90% и 5-40%.
Фотохромное стекло
Фотохромное стекло меняет цвет под воздействием света. Это относится к диапазону ультрафиолетового излучения и коротковолновой полосе пропускания видимого света. Наиболее известным продуктом этого типа является стекло, используемое в очках, которое автоматически темнеет до коричневого или серого цвета при воздействии солнца. С другой стороны, когда световой импульс перестает работать, он возвращается в прежнее состояние. Этот процесс происходит за счет введения кристаллов галогенида серебра в структуру стекла.
Электрохромное стекло
Смарт-очки, реагирующие на электрический импульс, изменяют свои свойства независимо от условий окружающей среды. Электрохромные стекла меняют цвет и затемняются. Чаще всего они окрашены в синий цвет, но в последние годы цветовая палитра стала намного богаче (например, зеленый, серый, коричневый). Стекло этого типа состоит из двух слоев прозрачных проводников – электролита, электрохромового слоя (активный электрод) и ионного накопителя (пассивный электрод). Изменение цвета происходит за счет перемещения ионов между электродами под действием приложенного электрического напряжения. Их отток из электрохромового слоя вызывает его затемнение. Изменение направления электрического поля заставляет ионы возвращаться в электрохроматический слой, благодаря чему он снова становится прозрачным.
В связи с тем, что электроды остаются заряженными в течение некоторого времени, подача напряжения требуется только во время процесса ионного потока. Эта технология используется, в частности, при производстве автомобильных зеркал нового поколения.
В течение 7-12 минут позволяет постепенно снизить светопропускание с 60 (прозрачное стекло) до 1% (полный цвет). Скорость изменения цвета зависит от температуры воздуха и размера стекла. Доступные максимальные размеры первоначально были ограничены (55/75 см), но постепенно увеличивались. В настоящее время возможно изготовление стекол размером 150/300 см. Широкая гамма цветов и оттенков гарантирует, что изделие будет соответствовать цветовому видению здания и его интерьера. Стекло поставляется в виде изолирующих двойных и тройных стеклопакетов, характеризующихся очень низким коэффициентом теплопроводности U = 0,28 Вт/(мK).
Электротропное стекло
Изменение свойств термотропного стекла также вызвано электрическим импульсом. Однако он не меняет цвет, а становится молочно-белым, редко слегка окрашенным. Двумя наиболее распространенными являются: жидкокристаллические устройства (LCD) и устройства со взвешенными частицами (SPD), которые используются в новейших продуктах электронной промышленности, например, в электронной бумаге и различных дисплеях.
Наиболее известным из всех видов смарт-стекла является ЖК-дисплей. Это связано с тем, что жидкокристаллическую технологию легче всего внедрить в массовое производство.
В электротропном стекле подача напряжения вызывает поляризацию частиц в слое ЖК, что делает его прозрачным. Когда напряжение прерывается, частицы возвращаются в свободную систему, и световые лучи коллапсируют, в результате чего стекло становится тусклым. Таким образом, в отличие от электрохромного стекла, поддержание прозрачного состояния стекла требует постоянного электрического импульса. Переход от одного состояния к другому занимает гораздо меньше времени, максимум несколько секунд, и проходит гладко. Стекло становится полностью матовым и белым. Оно может использоваться в качестве экрана для проецирования изображений. Эта система лучше всего подходит для создания так называемых медиафасадов из всех видов “умного” стекла, которые прозрачны в дневное время и могут превращаться в большие экраны вечером. Также можно достичь промежуточных состояний между полной прозрачностью и матовостью, регулируя приложенное.
Рыночное предложение остекления ЖК-дисплеев, по сравнению с другими описанными видами стекла, относительно богато. Однако, что важно, оно постоянно растет и совершенствуется с точки зрения качества. Этот тип остекления чаще всего используется в элементах перегородок в интерьерах.
Производители подчеркивают удобство его использования в конференц-залах, которые очень часто расположены в центральной части офисных этажей и не имеют прямого доступа к окнам. Стеклянные стены таких комнат делают их частью открытого пространства и проникают в них естественным светом. Возможность регулировки степени прозрачности стен “по требованию” облегчает использование таких помещений, гарантируя затемнение и ощущение уединения их пользователей в соответствующие моменты времени. Кроме того, поверхности этого типа могут использоваться в качестве проекционных экранов. Полученное изображение будет иметь высокое разрешение и контрастность. Поместив проектор на заднюю часть созданного экрана, стекло эффективно подавит шум устройства и полностью скроет его. Управление изображением также возможно с помощью сенсорного экрана.
ЖК-стекло также подходит для наружного применения в составе комплекта теплоизоляции с двойным или тройным остеклением. Только тонкий слой ответственен за изменчивость полупрозрачности, поэтому он может встречаться в любой комбинации с другими функциональными покрытиями,например, low-e, избирательно регулирующими доступ солнечной радиации (защита от солнца) или акустической. Важным преимуществом данной технологии является возможность изготовления ЖК-пленки в виде отдельного слоя, который не нужно комбинировать со стеклом в процессе производства. Это позволяет применять его к существующим системам остекления. Его также можно использовать в сочетании с цветной пленкой или декоративными красками для достижения разнообразных пластических эффектов.
Конкурентным продуктом для ЖК-панелей являются системы, использующие технологию SPD (устройства взвешенных частиц). Суть их работы схожа с ЖК-дисплеем. Стекло комбинируется со специальным слоем, содержащим свободно расположенные частицы. Такая система поглощает свет и делает стекло непрозрачным. Под действием приложенного напряжения, система частиц организуется сама по себе и перестает быть барьером для световых лучей, а стекло становится прозрачным. В технологии SPD матовый эффект сочетается с окраской. Обычно стекло приобретает синий цвет, но можно получить и другие цвета (зеленый, коричневый, серый).
Как и в случае ЖК-дисплея, можно модернизировать остекление, добавив покрытие SPD, а также комбинировать с другими функциональными покрытиями (включая ЖК-дисплей).
Описанные выше типы “умного” стекла являются наиболее известными и передовыми в процессе внедрения и распространения. На самом деле, их намного больше. Немного менее известным, но интересным решением являются, например, газохроматографическое стекло. Пусковым фактором является активный газ – разбавленный водород, который течет через пустоту между слоями остекления. Он реагирует с газовым хроматическим покрытием, окрашивая его в темно-синий цвет.
Возврат в прозрачное состояние вызван подачей кислорода. Подача газа регулируется электроникой.
Также стоит отметить систему micro-blind, в которой прозрачное стекло постепенно становится непрозрачным. Однако в структуре материала стекла это изменение не происходит (поэтому они не относятся к группе “умных” материалов). Поверхность стекол покрыта слоем микропленок в виде металлической фольги, которые невидимы для глаз. При напряжении стекло становится непроницаемым.
Материальная инженерия нового поколения
Стекло с меняющимися оптическими свойствами – это решение нового поколения, которое создает новое качество использования. Важно, прежде всего, иметь возможность использовать солнечную энергию в зданиях более эффективно, чем раньше, и решать, при каких обстоятельствах интерьеры должны быть открыты для окружающей среды, а при каких – нет. Все это делается с помощью одного индивидуально подобранного продукта, который не нуждается в дополнении другими элементами. В случае традиционных стен соответствующая защита от солнца может быть обеспечена с помощью наружных систем затенения. Однако они требуют тщательного проектирования, увеличивают стоимость фасада и нарушают его визуальную целостность.
Электротропное стекло в ЖК- и SPD -технологиях кажется наиболее универсальным. Их работа обусловлена электрическим импульсом и не зависит от внешних факторов. Таким образом, ими можно управлять индивидуально в соответствии с предпочтениями пользователей или автоматически, в соответствии с предполагаемой стратегией, например, в отношении оптимального использования солнечной энергии. Такой вид остекления имеет относительно мало технологических ограничений (например, изменение происходит быстрее других систем) и что особенно важно, возможно модернизировать существующие фасады путем нанесения на них ЖК- или SPD-пленки. Недостатком электростатического стекла можно считать необходимость постоянного электроснабжения для поддержания стекла в прозрачном состоянии. Среди систем, реагирующих на изменения окружающей среды, наиболее интересным является термотропное стекло (импульс – изменение температуры).
Он более продвинут в процессе распространения, чем фотохромное стекло, имеет меньше технологических ограничений и дешевле в производстве. Одним из неудобств стекла, которое автоматически изменяет свои свойства, является невозможность контролировать поток солнечного излучения. Окно меняет цвет или темнеет под влиянием окружающей среды, даже если это нежелательно. По этой причине эти системы используются в элементах, которые не играют важной роли в поддержании визуального контакта между интерьером и окружающей средой, например, мансардные окна, окна, освещающие интерьер потолочным светом или навесные стеновые модули, расположенные выше линии видимости.
Предложение “умного” стекла становится богаче, а предлагаемые на рынке продукты постепенно улучшаются, например, с точки зрения времени реакции, цвета или непрозрачности, максимальных размеров и доступных форм панелей, устойчивости к внешним факторам или долговечности. Удобство использования этого типа стекла кажется очень привлекательным, так же как и визуальный эффект, который может способствовать видению динамически меняющейся архитектуры. Тем не менее, это все еще нишевые продукты. Количество проектов, хотя и продолжает расти, все еще невелико. Основным барьером является стоимость во много раз выше, чем стоимость традиционных стеклянных стен. Поэтому большинство проектов являются показательными, престижными или относятся к относительно мелкомасштабным элементам, уникальные свойства которых имеют большое значение, например, в медицинских, дидактических или выставочных учреждениях. Однако можно надеяться на постепенное снижение стоимости указанных выше технологий, повышение их значимости и доли во вновь проектируемых зданиях.
