ابداع پوشش شیشه‌ای منحصربه‌فرد برای مقابله با گرما، سرما و اشعه فرابنفش

مجموعه: اختراعات جدید

به گزارش ایسنا، محققان چینی و آمریکایی موفق به ابداع یک پوشش شیشه‌ای شده‌اند که می‌تواند دمای محیط داخل ساختمان را تنظیم کرده و از ورود پرتو فرابنفش جلوگیری کند.

این پوشش باعث صرفه‌جویی ۲.۹ درصدی در مصرف انرژی می‌شود که با توجه به نصب چندین میلیارد متر مربع پنجره در سراسر دنیا، این مقدار قابل توجه خواهد بود.

به نقل از آی‌ای، تلاش مشترک محققان در چین و ایالات متحده منجر به توسعه یک پوشش شیشه‌ای جدید شده است که گرما را منعکس کرده و به صرفه‌جویی در مصرف انرژی کمک می‌کند، در عین حال در برابر رطوبت، نور فرابنفش و نوسانات دما نیز مقاوم است.

با افزایش آگاهی کشورهای جهان از هزینه‌های انرژی خود، تلاش‌هایی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای با کاهش هدررفت نیز انجام می‌شود.

نیازهای گرمایشی در مناطق سردسیر جهان تا حد زیادی با سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود و تلاش‌هایی برای کاهش تلفات با استفاده از شیشه‌هایی با پوشش‌های کم‌گسیل(low-E) صورت گرفته است.

گسیلندگی یا قابلیت انتشار(Emissivity) معیاری از توانایی یک ماده در تابش گرماست. گسیلندگی کمتر برای یک ماده پوششی به این معنی است که اجازه می‌دهد گرمای کمتری از طریق شیشه فرار کند. اگرچه پوشش‌های کم‌گسیل(low-E) به ‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما پس از قرار گرفتن در معرض نوسانات دما و رطوبت، مستعد تخریب هستند. به همین دلیل است که این پوشش‌ها در قسمت داخلی پنجره‌ها اعمال می‌شوند.

قابلیت انتشار یا گسیلندگی یک ماده به قابلیت انتشار تشعشع توسط سطح آن جسم گفته می‌شود. این قابلیت انتشار تشعشعی یک خاصیت از ماده است که بیان‌کننده نسبت انرژی تشعشع شده توسط ماده مورد نظر به انرژی تشعشع شده توسط یک جسم سیاه در همان درجه حرارت است. بدیهی است این ضریب بدون بُعد است.

در یک قاعده کلی، اجسام غیر فلزی (به‌ویژه اجسام کدر) قابلیت انتشار بالایی دارند، در حالی که این قابلیت در فلزات بستگی به نوع فلز و شرایط سطح آن دارد. سطوح صیقلی فلزی تشعشع کمتری دارند، در حالی که سطوح زبر یا اکسید شده بیشتر تشعشع می‌کنند. غالباً رنگ سطح به اشتباه به عنوان یک عامل بسیار تأثیرگذار در قابلیت انتشار در نظر گرفته می‌شود که درست نیست.

پوششی برای نمای بیرونی شیشه

محققان دانشگاه رایس(Rice) در ایالات متحده، به همراه محققان دانشگاه چینی هنگ کنگ، دانشگاه ایالتی آریزونا، دانشگاه کرنل(Cornell) و دانشگاه تورنتو، اکنون یک لایه نازک و مقاوم از پوشش ساخته شده از نیترید بور و کربن را توسعه داده‌اند که می‌تواند گرما را منعکس کند و در برابر اشعه فرابنفش و نوسانات دما نیز مقاوم باشد.

این شیشه علاوه بر مقاومت در برابر خراش، صرفه‌جویی در انرژی را نیز تا 2.9 درصد بهبود بخشیده است. اگرچه این ممکن است زیاد به نظر نرسد، با توجه به اینکه سالانه بیش از چهار میلیارد فوت مربع پنجره در ایالات متحده نصب می‌شود، می‌تواند منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی شود.

پولیکل آجایان(Pulickel Ajayan)، استاد علوم مواد و مهندسی نانو در دانشگاه رایس می‌گوید: اگرچه نیترید بور خالص تقریباً میزان انتشار مشابهی با شیشه نشان می‌دهد، اما وقتی مقدار کمی کربن به آن اضافه می‌کنید، میزان انتشار به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و این موضوع بازی را به‌طور کلی تغییر می‌دهد.

این پوشش چگونه ساخته شد؟

محققان از رسوب شلیک لیزر استفاده کردند که در آن از انفجارهای لیزر پرانرژی برای برخورد به یک هدف نیترید بور استفاده شد. این کار باعث ایجاد بخار پلاسما شد که سپس روی زیرلایه قرار می‌گیرد. جالب اینجاست که کل این فرآیند، برخلاف تنظیمات دمای بالا که برای ساخت سایر پوشش‌ها مورد نیاز است، در دمای اتاق اتفاق می‌افتد.

نیترید بور در مقایسه با اکسید قلع نقره یا ایندیوم که برای ساخت پوشش‌های کم‌گسیل استفاده می‌شوند، ماده اولیه ارزان‌تری است. اگرچه محققان نسبت به مقایسه هزینه‌ها در چنین مراحل اولیه تحقیقات خود هشدار می‌دهند، اما خاطرنشان کردند که این رویکرد می‌تواند از پلیمرها، منسوجات و حتی سطوح بیولوژیکی به عنوان زیرلایه استفاده کند.

این رویکرد که با تکنیک‌هایی مانند رسوب بخار شیمیایی همراه است، می‌تواند برای ساخت پوشش‌ها در مقیاس تجاری مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، برای نشان دادن کاربرد آن، محققان باید اطمینان حاصل می‌کردند که وضوح نوری و دوام آن بهتر از پوشش‌های موجود است.

محققان دانشگاه چینی هنگ کنگ برای تعیین این خواص وارد عمل شدند و این رویکرد را یک راه حل عالی برای محیط‌های متراکم یافتند.

شانچنگ وانگ (Shancheng Wang) از دانشگاه چینی هنگ کنگ در بیانیه مطبوعاتی افزود: سطح شفافیت و ضریب انتشار پایین نویدبخش، شیشه‌های روکش‌شده با کربن را به گزینه‌ای رقابتی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی در شهرهایی مانند پکن و نیویورک تبدیل می‌کند.

یافته‌های این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.