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

तकनीकी सारांश: ट्यूनेबल ट्रांसमिटेंस स्मार्ट विंडोज़ के लिए विलायक संचालित पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS) स्पंज कोटिंग्स

समस्या विवरण
हीटिंग और कूलिंग सिस्टम वैश्विक ऊर्जा खपत का लगभग 30% हिस्सा हैं, जिसमें खिड़कियाँ ऊष्मा विनिमय के प्राथमिक स्थल के रूप में कार्य करती हैं। मौजूदा स्मार्ट विंडो तकनीकें, जैसे कि इलेक्ट्रोक्रोमिक, थर्मोक्रोमिक और लिक्विड क्रिस्टल-डिस्पर्स्ड सिस्टम, व्यापक रूप से अपनाने में महत्वपूर्ण बाधाओं का सामना करती हैं। इनमें उच्च उत्पादन लागत, जटिल निर्माण विधियाँ, विषाक्तता संबंधी चिंताएँ, पर्यावरणीय स्थितियों के प्रति संवेदनशीलता और सीमित स्थायित्व शामिल हैं। इसके अलावा, जबकि रेडिएटिव कूलिंग तकनीकें आशाजनक हैं, वे अक्सर महंगी नैनोपोरस सामग्रियों पर निर्भर करती हैं। एक ऐसे टिकाऊ, स्केलेबल और लागत प्रभावी विकल्प की तत्काल आवश्यकता है जो जटिल बाहरी नियंत्रण प्रणालियों के बिना प्रकाश और ऊष्मा हस्तांतरण को गतिशील रूप से नियंत्रित कर सके।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS) स्पंज पर आधारित एक ट्यूनेबल स्मार्ट विंडो कोटिंग विकसित की है। निर्माण प्रक्रिया एक सरल, पर्यावरण के अनुकूल "शुगर-टेम्प्लेटिंग" (चीनी-टेम्प्लेटिंग) विधि का उपयोग करती है:

1. सामग्री संश्लेषण: PDMS प्रीपॉलिमर, एक क्यूरिंग एजेंट और दानेदार चीनी का एक मिश्रण तैयार किया जाता है। चीनी एक हटाने योग्य टेम्प्लेट के रूप में कार्य करती है ताकि एक छिद्रपूर्ण संरचना बनाई जा सके।
2. अनुकूलन (ऑप्टिमाइज़ेशन): यांत्रिक शक्ति, सूजन व्यवहार और ऑप्टिकल प्रदर्शन के बीच संतुलन बनाने के लिए प्रमुख मापदंडों को व्यवस्थित रूप से अनुकूलित किया गया। इष्टतम फॉर्मूलेशन PDMS:क्यूरिंग एजेंट:चीनी का वजन अनुपात 10:1:4 निर्धारित किया गया, जिसमें 500–200 µm आकार के चीनी के दाने उपयोग किए गए।
3. कोटिंग अनुप्रयोग: मिश्रण को कांच के सबस्ट्रेट्स पर डाला गया, 80°C पर 3 घंटे के लिए क्यूर किया गया, और फिर अल्ट्रासोनिक जल धुलाई के माध्यम से चीनी के टेम्प्लेट को हटा दिया गया, जिससे कांच से चिपकी हुई एक छिद्रपूर्ण PDMS स्पंज परत (लगभग 0.57 मिमी मोटी) प्राप्त हुई।
4. ट्यूनेबिलिटी तंत्र: ऑप्टिकल गुणों को एक विलायक (सॉल्वेंट) के इन्फ्यूजन और रिलीज द्वारा नियंत्रित किया जाता है। शुष्क अवस्था (dry state) में, हवा से भरे छिद्र PDMS ($n \approx 1.42$) और हवा ($n \approx 1.0$) के बीच अपवर्तनांक बेमेल ($\Delta n \approx 0.42$) पैदा करते हैं, जिससे प्रकाश का प्रकीर्णन (स्कैटरिंग) होता है और अपारदर्शी उपस्थिति होती है। सिलिकॉन तेल ($n \approx 1.40$) के इन्फ्यूजन के बाद, अपवर्तनांक का अंतर न्यूनतम ($\Delta n \approx 0.02$) हो जाता है, जिससे कोटिंग पारदर्शी हो जाती है।

प्रमुख परिणाम

• ऑप्टिकल प्रदर्शन: PDMS स्पंज-लेपित कांच अपारदर्शी और पारदर्शी अवस्थाओं के बीच परिवर्तनीय स्विचिंग प्रदर्शित करता है।
  • अपारदर्शी अवस्था (शुष्क): यह सौर प्रकाश का 84.6% हिस्सा रोकता है।
  • पारदर्शी अवस्था (सिलिकॉन तेल इन्फ्यूज्ड): यह 84.8% प्रकाश संचरण की अनुमति देता है (केवल 15.2% को रोकता है), जो बिना लेपित कांच के समान व्यवहार करता है।
  • विलायक चयन: हालांकि हेक्सानोल ने थोड़ा अधिक ट्रांसमिटेंस (~100%) प्रदान किया, लेकिन सिलिकॉन तेल को इसके सुरक्षित प्रोफाइल, मध्यम सूजन अनुपात (27%), और उच्च ट्रांसमिटेंस (86%) के कारण इष्टतम विलायक के रूप में चुना गया।
• थर्मल रेगुलेशन: IR विकिरण (सौर ताप का अनुकरण करते हुए) के तहत, अपारदर्शी अवस्था ने सामने और पीछे की सतहों के बीच एक महत्वपूर्ण तापमान अंतर ($\Delta T$) 4.40 ± 1.05 °C प्रदर्शित किया, जो प्रभावी रूप से गर्मी को रोकता है। इसके विपरीत, पारदर्शी अवस्था में केवल 0.83 ± 0.15 °C का $\Delta T$ देखा गया, जो बिना लेपित कांच के समान ऊष्मा संचरण की अनुमति देता है।
• स्थायित्व और स्थिरता:
  • यांत्रिक: कोटिंग्स ने बिना किसी डेलैमिनेशन या महत्वपूर्ण विरूपण के, 600-ग्रिट सैंडपेपर के साथ 20 ग्राम भार के साथ 200 चक्रों के यांत्रिक घर्षण का सामना किया।
  • रासायनिक: कोटिंग्स तीव्र अम्लीय (pH 1) और क्षारीय (pH 13) समाधानों में विसर्जन के बाद भी स्थिर रहीं।
  • दीर्घकालिक: नमूनों ने सिलिकॉन तेल के 6 महीने के संपर्क के बाद भी संरचनात्मक अखंडता और प्रदर्शन बनाए रखा।
• बहुमुखी प्रतिभा: इस प्रणाली को विभिन्न आकारों और ज्यामिति के कांच सबस्ट्रेट्स पर सफलतापूर्वक लागू किया गया, जो स्केलेबिलिटी को दर्शाता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह स्मार्ट विंडो अनुप्रयोगों के लिए कांच की सतहों पर लागू स्पंज-आधारित प्रणाली का पहला विस्तृत अनुकूलन प्रस्तुत करता है। लेखक अत्याधुनिक प्रणालियों की तुलना में इसके कई लाभों पर प्रकाश डालते हैं:

1. सरलता और लागत: इसका निर्माण आसानी से उपलब्ध, कम लागत वाली सामग्रियों (PDMS, चीनी, सिलिकॉन तेल) पर निर्भर करता है और इसमें खतरनाक रसायनों या जटिल संश्लेषण की आवश्यकता नहीं होती है।
2. पर्यावरणीय स्वतंत्रता: थर्मोक्रोमिक सामग्रियों (जैसे $VO_2$ या $pNIPAm$) के विपरीत, जिन्हें स्विच करने के लिए विशिष्ट तापमान सीमा की आवश्यकता होती है, यह प्रणाली विलायक इन्फ्यूजन के माध्यम से कार्य करती है, जो परिवेश के तापमान के उतार-चढ़ाव के बावजूद निरंतर प्रदर्शन प्रदान करती है।
3. दोहरी कार्यक्षमता: कोटिंग सौर प्रकाश संचरण और ऊष्मा अवरोधन दोनों पर गतिशील नियंत्रण प्रदान करती है, जो ऊष्मा-रोधी अपारदर्शी अवस्था से ऊष्मा-प्र transmettre पारदर्शी अवस्था में बदल जाती है।
4. मजबूती: यह प्रणाली उच्च यांत्रिक और रासायनिक स्थायित्व प्रदर्शित करती है, जो मौजूदा स्मार्ट विंडो तकनीकों की सामान्य सीमाओं को संबोधित करती है।

लेखक सीमाओं को स्वीकार करते हैं, विशेष रूप से यह कि अपारदर्शी अवस्था दृश्यता को सीमित करती है, और वर्तमान में इस प्रणाली को विलायक को इंजेक्ट और निकालने के लिए एक बाहरी तंत्र (जैसे पंप) की आवश्यकता होती है। हालांकि, वे तर्क देते हैं कि यह प्लेटफॉर्म उन अनुप्रयोगों में बिल्डिंग ऊर्जा दक्षता के लिए एक व्यवहार्य, कम लागत वाला समाधान प्रदान करता है जहाँ पूर्णकालिक पारदर्शिता अनिवार्य नहीं है।