کاربرد فناوری نانو در شیشه های هوشمند

شیشه های ضد آفتاب مفهوم شیشه های ضد آفتاب در ساختمان، به این معناست که این شیشه ها می توانند از جذب گرمای نامطلوب ناشی از تشعشع پرتوهای نور پیشگیری کنند. شیشه ی کنترل کننده انرژی یا شیشه کم گسیل، شیشه ای است که انتقال حرارت بسیار کمتری نسبت به شیشه معمولی دارد و مانند یک عایق حرارتی شفاف عمل می کند. با توجه به اینکه حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجره ها هدر می رود، به همین دلیل تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها بر روی پنجره ها نیز متمرکزشده است. شیشه های کنترل کننده ی انرژی با کنترل هم زمان انتقال انرژی از طریق رسانش و تابش، شیشه را تبدیل به عنصری فوق العاده مؤثر جهت کاهش مصرف انرژی، افزایش روشنایی و دید ساختمان و زیبایی نما می نماید. این نوع شیشه ها ایده ی ساختمانی با پنجره هایی بزرگ را عملی می کند که نور و زیبایی اطراف را به داخل ساختمان می آورد. سازوکار شیشه های الکتروکرومیک شیشه های الکتروکرومیک، شیشه های هوشمندی هستند که در اثر قرار گرفتن در یک محدوده پتانسیل مخصوص دچار تغییر رنگ بازگشت پذیر می شوند. در شیشه های الکتروکرومیک با فشار دادن یک کلید و برقراری مقدار اندکی جریان الکتریکی، شیشه از حالت شفاف خارج شده و تیره می شود و با فشار دکمه ای دیگر به وضعیت قبلی بازمی گردد. به طورکلی سیستم الکتروکرومیک یک سل الکتروشیمیایی دو الکترودی در یک آرایش ساندویچی از لایه های نازک نانومتری است. بنابراین این سیستم ها را می توان به صورت یک سل الکتروشیمیایی قابل شارژ در نظر گرفت که در آن الکترود کار (جایی که تغییر رنگ در آن صورت می گیرد) به وسیله الکترولیت از الکترود مقابل جداشده است. این الکترودها شیشه های بسیار شفاف رسانا هستند که در صورت اعمال پتانسیل بین دو الکترود و ایجاد جریان الکتریسیته، واکنش اکسایش- کاهش رخ داده و تغییر رنگ در لایه الکتروکرومیک پوشش داده شده روی شیشه ایجاد می شود. همان گونه که در شکل 1 نشان داده شده است در اثر اعمال ولتاژ مناسب به سیستم الکتروکرومیک، حامل های بار یعنی الکترون ها و پروتون ها به لایه الکتروکرومیک وارد می شوند و باعث تغییر رنگ لایه الکتروکرومیک می گردند. در نوعی دیگر از شیشه های الکتروکرومیک که بیشتر به عنوان جداکننده در فضاهای درونی ساختمان به کاربرده می شوند، از لایه ی نازک کریستال مایع بین شیشه ها استفاده می شود. با گذراندن جریان الکتریسیته از فیلم، کریستال مایع شیشه شفاف می شود و با قطع جریان، کریستال ها با جهت گیری تصادفی خود در فضا موجب پخش کردن نور، و درنتیجه مات شدن شیشه می شوند. بنابراین با این سیستم می توان میلیون ها دلار در گرمایش و سرمایش و نورپردازی فضاها صرفه جویی کرد. یکی از ویژگی های شیشه های الکتروکرومیک قابلیت تنظیم رنگ آن ها است به طوری که می توان با تنظیم مقدار جریان شدت تیرگی رنگ شیشه را تنظیم نمود. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است می توان با تنظیم رنگ شیشه مقدار گرما و نور عبوری از شیشه را کنترل کرد. شیشه های ضد انعکاس در پاره ای از کاربردهای معماری، انعکاس نور از شیشه ها، عاملی نامطلوب تلقی شده و از کیفیت آسایش حرارتی فضا می کاهد. با کمک فناوری نانو می توان از شیشه های ضد انعکاس برای کاربردهایی که انعکاس نورپایین و عبور بالا لازم است، استفاده کرد. منبع الهام این فناوری مطالعه دقیق چشم شب پره ها بوده است. بررسی قرنیه چشم شب پره ها که بیشتر در شب فعال هستند، حکایت از وجود ساختاری در چشم این موجودات دارد که انعکاس نور را کاهش می دهد. خواص ضد بازتاب چشم شب پره به واسطه ی یک الگوی شش ضلعی از برجستگی های کوچک است. فاصله ی میان این برجستگی ها به قدری کوچک است که مانند یک تک لایه در مقابل برخورد تابش نور عمل می کند و این خاصیت به شب پره کمک می کند در شب به راحتی ببیند بدون اینکه بازتاب چشم او شکارچیان را از وجودش مطلع کند. رزین های ضد انعکاس لایه ی بسیار نازکی از نانو ذرات مختلفی مانند SiO sub 2 /sub ،TiO sub 2 /sub ،MgF sub 2 /sub و... هستند که برای تغییر دادن برخی از خواص نوری روی سطوح مختلفی مانند شیشه اعمال می شوند. خواصی مانند انعکاس، شکست، خاصیت ضد بازتاب، رسانش از خاصیت هایی هستند که می توانند در یک طول موج مشخص از نور به وسیله ی معین کردن دقیق تعداد لایه های پوشش، به وجود آیند و یا اصلاح شوند. انواع پوشش های ضد انعکاس پوشش های ضد انعکاس تک لایه ساخت و کاربرد پوشش (AR) تک لایه محدود به قابلیت ماده به کاربرده شده، است. در این پوشش ها لایه قابلیت حذف کامل انعکاس نور را ندارند و دارای استفاده محدود می باشند. به عنوان مثال ماده ای مانند فلورید منیزیوم (MgF sub 2 /sub ) بازتاب یک زیر لایه شیشه ای را از 4.26% تا 1.5% کاهش می دهد. بااین وجود رسیدن به یک بازتاب دقیقا 0% به وسیله پوشش های تک لایه هنوز عملی نیست. پوشش های ضد انعکاسدولایه کاربرد یک پوشش دولایه به طوری که هر لایه دارای ضخامت ربع طول موج باشد؛ می تواند عملکرد پوشش ضد انعکاس را بهبود بخشد. در پوشش های ضد انعکاس دولایه ماده با ضریب شکست پایین تر بر روی زیر لایه و ماده با ضریب شکست بالاتر بر روی آن قرار می گیرد. این طراحی منجر به بهبود در اثر پوشش ضد انعکاس می شود. همان طور که در شکل 5 مشاهده می شود، بازتاب مؤثر از یک پوشش ضد انعکاس دولایه به طور قابل ملاحظه ای در محدوده طول موج حدود 500 نانومتر به سمت صفر کاهش پیدا می کند. منحنی بازتاب پوشش ضد انعکاس دولایه دارای طیفی به صورت V می باشد ازاین رو آن ها را نیز به صورت پوشش v می شناسند. پوشش های ضد انعکاس چندلایه ازآنجاکه پوشش های ضد انعکاس دولایه منجر به کاهش در بازتاب مؤثر در یک طول موج مشخص در هدف می شود، چنانچه کاهش بازتاب بر روی دو طرف لایه مدنظر باشد، باید تعداد لایه ها افزایش پیدا کند. پوشش ضد انعکاس سه لایه، شامل یک لایه ضخیم تر میانی است که بین دولایه ضد انعکاس دیگر و باضخامت کمتر ساندویچ شده است. در شیشه های ضد انعکاس متشکل از لایه بسیار نازک (حدود 100 نانومتر) سیلیکای متخلخل، به طور متوسط میزان پرتوهای نور بازتابیده از سطح این نوع شیشه ها در حدود 1% و حجم پرتوهای گذر کرده از آن حدود 99% است به طور متوسط میزان پرتو بازتابیده شده از شیشه های ضد انعکاس بیش از یک لایه کمتر از 5/1 درصد ( در طیف طول موج بین 450 تا 650 نانومتر) و میزان امواج عبور کرده از آن بیش از 98 درصد است. از دیگر نکات بارز چنین پوشش هایی این است که برخلاف شیشه های معمولی، زاویه برخورد پرتو با شیشه، تأثیر زیادی بر نحوه انعکاس یا عبور آن نمی گذرد و به ازای زاویه تماس از صفر تا 75 درجه، در میزان انتقال پرتوها از شیشه، تنها بین 5 تا 8 درصد تغییر به وجود می آید. کاربرد شیشه های ضد انعکاس شیشه های ضد انعکاس کاربردهای گوناگونی دارند که از آن جمله می توان به استفاده آن ها در نمای خارجی فروشگاه های تجاری و ویترین مغازه ها، در فضای داخلی که بازتاب نور مزاحم دید و نورپردازی مناسب است، مثل موزه ها یا نمایشگاه های اشیای ارزشمند، ماشین ها ،عینک ها، موبایل ها ،دوربین ها و ... نام برد. پیش بینی و روند بازار پیش بینی و روند بازار شیشه های هوشمند برای سال های 2014 تا 2020 در نمودار زیر نشان داده شده است. این نمودار مربوط به بازار شیشه های هوشمند، شامل شیشه های الکتروکرومیک، کریستال مایع، فتوکرومیک و ... در کاربردهای نظیر معماری، حمل ونقل، سلول های خورشیدی و الکترونیک است. ارزش بازار برای این پوشش ها در سال 2013 نزدیک به 4/1581 میلیون دلار بوده است و انتظار می رود به ارزشی بالغ بر 5814 میلیون دلار تا سال 2020 برسد. همچنین پیش بینی بازار پوشش های ضد انعکاس با کاربرد در انرژی خورشیدی، خودرو و ساختمان ها و دارا بودن بیشترین سهم در اپتیک و الکترونیک برای سال های 2014 تا 2020 در شکل 7 نشان داده شده است. در سال 2013 ارزش بازار پوشش های ضد انعکاس با تقاضایی حدود 7/338 کیلوتن حدود 90/2 میلیارد دلار بوده است که انتظار می رود این مقدار با رشد 2/8% خود به حدود 97/4 میلیارد دلار تا سال 2020 برسد.