Solvent Operated Polydimethylsiloxane (PDMS) Sponge Coatings for Tunable Transmittance Smart Windows

Resumen Técnico: Recubrimientos de Esponja de Polidimetilsiloxano (PDMS) Operados por Disolvente para Ventanas Inteligentes de Transmitancia Sintonizable

Planteamiento del Problema
Los sistemas de calefacción y refrigeración representan aproximadamente el 30% del consumo energético global, siendo las ventanas los principales puntos de intercambio de calor. Las tecnologías de ventanas inteligentes existentes, como los sistemas electrocrómicos, termocrómicos y de cristal líquido disperso, enfrentan barreras significativas para su adopción generalizada. Estas incluyen altos costos de producción, métodos de fabricación complejos, preocupaciones de toxicidad, sensibilidad a las condiciones ambientales y durabilidad limitada. Además, aunque las tecnologías de refrigeración radiativa ofrecen una promesa, a menudo dependen de materiales nanoporosos costosos. Existe una necesidad crítica de una alternativa sostenible, escalable y rentable que pueda regular dinámicamente la transferencia de luz y calor sin sistemas de control externos complejos.

Metodología
Los autores desarrollaron un recubrimiento de ventana inteligente sintonizable basado en esponjas de Polidimetilsiloxano (PDMS). El proceso de fabricación utiliza un método de "moldeado con azúcar" simple y respetuoso con el medio ambiente:

1. Síntesis de Materiales: Se prepara una mezcla de prepolímero de PDMS, un agente de curado y azúcar granulada. El azúcar actúa como un molde eliminable para crear una estructura porosa.
2. Optimización: Los parámetros clave se optimizaron sistemáticamente para equilibrar la resistencia mecánica, el comportamiento de hinchamiento y el rendimiento óptico. La formulación óptima se determinó como una relación de peso PDMS:agente de curado:azúcar de 10:1:4, utilizando granos de azúcar de un tamaño de 500–200 µm.
3. Aplicación del Recubrimiento: La mezcla se vertió sobre sustratos de vidrio, se curó a 80 °C durante 3 horas y el molde de azúcar se eliminó mediante lavado ultrasónico con agua, dejando una capa de esponja de PDMS (de aproximadamente 0.57 mm de espesor) adherida al vidrio.
4. Mecanismo de Sintonización: Las propiedades ópticas se controlan mediante la infusión y liberación de un disolvente. En el estado seco, los poros llenos de aire crean un desajuste de índice de refracción ($\Delta n \approx 0.42$) entre el PDMS ($n \approx 1.42$) y el aire ($n \approx 1.0$), lo que provoca la dispersión de la luz y una apariencia opaca. Tras la infusión con aceite de silicona ($n \approx 1.40$), la diferencia de índice de refracción se minimiza ($\Delta n \approx 0.02$), volviendo el recubrimiento transparente.

Resultados Clave

• Rendimiento Óptico: El vidrio recubierto con la esponja de PDMS exhibe un cambio reversible entre estados opacos y transparentes.
  • Estado Opaco (Seco): Bloquea el 84.6% de la luz solar.
  • Estado Transparente (Infundido con Aceite de Silicona): Permite una transmisión de luz del 84.8% (bloqueando solo el 15.2%), comportándose de manera similar al vidrio sin recubrimiento.
  • Selección del Disolvente: Aunque el hexanol proporcionó una transmitancia ligeramente mayor (~100%), se seleccionó el aceite de silicona como el disolvente óptimo debido a su perfil de seguridad, su razón de hinchamiento moderada (27%) y su alta transmitancia (86%).
• Regulación Térmica: Bajo irradiación IR (simulando el calor solar), el estado opaco demostró una diferencia de temperatura ($\Delta T$) significativa de 4.40 ± 1.05 °C entre las superficies frontal y posterior, bloqueando eficazmente el calor. En contraste, el estado transparente mostró un $\Delta T$ de solo 0.83 ± 0.15 °C, permitiendo la transmisión de calor de forma similar al vidrio sin recubrimiento.
• Durabilidad y Estabilidad:
  • Mecánica: Los recubrimientos resistieron 200 ciclos de abrasión mecánica con una carga de 20 g con papel de lija de grano 600 sin delaminación ni deformación significativa.
  • Química: Los recubrimientos se mantuvieron estables tras la inmersión en soluciones ácidas (pH 1) y alcalinas (pH 13) fuertes.
  • Largo Plazo: Las muestras mantuvieron su integridad estructural y rendimiento tras 6 meses de exposición al aceite de silicona.
• Versatilidad: El sistema se aplicó con éxito a sustratos de vidrio de diversas formas y geometrías, demostrando escalabilidad.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar la primera optimización detallada de un sistema basado en esponjas aplicado a superficies de vidrio para aplicaciones de ventanas inteligentes. Los autores destacan varias ventajas sobre los sistemas de vanguardia:

1. Simplicidad y Costo: La fabricación depende de materiales fácilmente disponibles y de bajo costo (PDMS, azúcar, aceite de silicona) y evita productos químicos peligrosos o síntesis complejas.
2. Independencia Ambiental: A diferencia de los materiales termocrómicos (por ejemplo, VO₂ o pNIPAm) que requieren umbrales de temperatura específicos para cambiar, este sistema opera mediante la infusión de disolvente, ofreciendo un rendimiento constante independientemente de las fluctuaciones de la temperatura ambiente.
3. Doble Funcionalidad: El recubrimiento proporciona control dinámico tanto sobre la transmisión de luz solar como sobre el bloqueo de calor, cambiando entre un estado opaco que bloquea el calor y un estado transparente que transmite el calor.
4. Robustez: El sistema demuestra una alta durabilidad mecánica y química, abordando limitaciones comunes de las tecnologías de ventanas inteligentes actuales.

Los autores reconocen las limitaciones, específicamente que el estado opaco limita la visibilidad y que el sistema actualmente requiere un mecanismo externo (como bombas) para inyectar y retirar el disolvente. Sin embargo, postulan que esta plataforma ofrece una solución viable y de bajo costo para la eficiencia energética en edificios en aplicaciones donde la transparencia total no es estrictamente necesaria.